伺服系統(tǒng)淺析，伺服系統(tǒng)的分類、結(jié)構(gòu)組成與技術(shù)要求

　　伺服系統(tǒng)，亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測(cè)反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。按照反饋控制理論，伺服系統(tǒng)需不斷檢測(cè)在各種擾動(dòng)作用下被控對(duì)象輸出量的變化，與指令值進(jìn)行比較，并用兩者的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以消除偏差，使被控對(duì)象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。

　　伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的。因此伺服系統(tǒng)的工作過(guò)程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程。

　　伺服控制的實(shí)例隨處可見，如工人操作機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，必須用眼睛始終觀察加工過(guò)程的進(jìn)行情況，通過(guò)大腦對(duì)來(lái)自眼睛的反饋信息進(jìn)行處理，決定下一步如何操作，然后通過(guò)手搖動(dòng)手輪，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)上的工件或刀具來(lái)執(zhí)行大腦的決策，消除加工過(guò)程中出現(xiàn)的偏差，最終加工出符合要求的工件。在這個(gè)例子中，檢測(cè)、反饋與控制等功能是通過(guò)人來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而在伺服系統(tǒng)中，這些功能都要通過(guò)傳感器、控制及信息處理裝置等來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。如數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)傳感器、數(shù)控裝置和伺服電動(dòng)機(jī)分別取代了人的眼睛、大腦和手的功能。

　　許多機(jī)電一體化產(chǎn)品（如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等），需要對(duì)輸出量進(jìn)行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，而且往往是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)中離不開機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運(yùn)用，其功能是通過(guò)機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，伺服系統(tǒng)本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。

　　按調(diào)節(jié)理論分類

　　1.開環(huán)伺服系統(tǒng)

　　開環(huán)伺服系統(tǒng)即無(wú)位置反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件主要是功率步進(jìn)電機(jī)或液壓脈沖馬達(dá)。這兩種驅(qū)動(dòng)元件的工作原理的實(shí)質(zhì)是數(shù)字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)定位，而是靠驅(qū)動(dòng)裝置本身，轉(zhuǎn)過(guò)的角度正比與指令脈沖的個(gè)數(shù)；運(yùn)動(dòng)速度由進(jìn)給脈沖的頻率決定。

　　開環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，告訴扭矩小。一般用于輕載負(fù)載變化不大或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。

　　2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)

　　閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的誤差，是CNC輸出的位置指令和機(jī)床工作臺(tái)（或刀架）實(shí)際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件不能反映運(yùn)動(dòng)的位置，因此需要有位置檢測(cè)裝置。該裝置測(cè)出實(shí)際位移量或者實(shí)際所處的位置，并將測(cè)量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較，求得誤差，依次構(gòu)成閉環(huán)位置控制。

　　由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測(cè)量裝置精度很高，所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差，環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，從而大大提高了跟隨精度和定位精度。

　　3.半閉環(huán)系統(tǒng)

　　位置檢測(cè)元件不直接安裝在進(jìn)給坐標(biāo)的最終運(yùn)動(dòng)部件上，而是中間經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)部件的位置轉(zhuǎn)換，稱為間接測(cè)量。亦即坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，在環(huán)外的傳動(dòng)誤差沒(méi)有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，因而這種伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。

　　半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是一致的，不同點(diǎn)只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內(nèi)包括較多的機(jī)械傳動(dòng)部件，傳動(dòng)誤差均可被補(bǔ)償。理論上精度可以達(dá)到很高。但由于受機(jī)械變形、溫度變化、振動(dòng)以及其它因素的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性難以調(diào)整。此外，機(jī)床運(yùn)行一段時(shí)間后，由于機(jī)械傳動(dòng)部件的磨損、變形以及其它因素的改變，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定性改變，精度發(fā)生變化。因此，目前使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。只在具備傳動(dòng)部件緊密度高、性能穩(wěn)定、使用過(guò)程溫差變化不大的高精度數(shù)控機(jī)床上使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

　　按使用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)分按使用驅(qū)動(dòng)元件分類

　　1.直流伺服系統(tǒng)

　　直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電機(jī)有小慣量直流伺服電機(jī)和永磁直流伺服電機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)）。小慣量伺服電機(jī)最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得最好的快速性。小慣量伺服電機(jī)一般都設(shè)計(jì)成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應(yīng)用時(shí)，要經(jīng)過(guò)中間機(jī)械傳動(dòng)（如齒輪副）才能與絲杠相連接。

　　2.交流伺服系統(tǒng)

　　交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電機(jī)和永磁同步伺服電機(jī)。由于直流伺服電機(jī)存在著固有的圈點(diǎn)，使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。交流伺服電機(jī)沒(méi)有這些缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。另外在同體積條件下，交流電機(jī)的輸出功率可比直流電機(jī)提高10％～70％。還有交流電機(jī)的容量可以比直流電機(jī)造的大，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速和電壓。

　　按進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)分類

　　1.進(jìn)給伺服系統(tǒng)

　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有定位和輪廓跟蹤功能。

　　2.主軸伺服系統(tǒng)

　　嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，一般的主軸控制只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)極變速。具有C軸控制的主軸與進(jìn)給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。

　　機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。下圖給出了伺服系統(tǒng)組成原理框圖。

　　1.比較環(huán)節(jié)

　　比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。?

　　2.控制器

　　控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

　　3.執(zhí)行環(huán)節(jié)

　　執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。

　　4.被控對(duì)象

　　5.檢測(cè)環(huán)節(jié)

　　檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

　　1.系統(tǒng)精度

　　伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概括為動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個(gè)方面組成。

　　2.穩(wěn)定性

　　伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個(gè)新的輸入指令后，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。

　　3.響應(yīng)特性

　　響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度，決定了系統(tǒng)的工作效率。響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。

　　4.工作頻率

　　工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號(hào)的頻率范圍。當(dāng)工作頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作。