伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

　　機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類(lèi)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。

　　圖伺服系統(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(zhuān)門(mén)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。

　　伺服系統(tǒng)工作原理

　　伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)的任意變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，即伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、速度和位置傳感器等組成。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)零件加工程序，根據(jù)編碼器反饋回來(lái)的信息進(jìn)行各種插補(bǔ)運(yùn)算和軟件實(shí)時(shí)控制，向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)接收到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制命令后，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，能夠快速平滑調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，并能夠精確地進(jìn)行位置控制。

　　伺服系統(tǒng)分類(lèi)

　　從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來(lái)看，有電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和電氣-液壓伺服系統(tǒng)及電氣-電氣伺服系統(tǒng)等；

　　從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來(lái)看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等；

　　從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號(hào)作用特點(diǎn)來(lái)看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)；

　　從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，有單回伺服系統(tǒng)、多回伺服系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)交流電機(jī)）伺服系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)的基本要求和特點(diǎn)

　　1.對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

　?。?）穩(wěn)定性好：穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后到達(dá)新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)。

　?。?）精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間。

　　（3）快速響應(yīng)性好：快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過(guò)渡過(guò)程的前沿陡，即上升率要大。

　　2.伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

　?。?）精確的檢測(cè)裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制。

　?。?）有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。

　　（3）高性能的伺服電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)伺服電機(jī)）：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中。要求電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。

　　（4）寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實(shí)際工作過(guò)程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后，再通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　在數(shù)控機(jī)床上，伺服調(diào)控系統(tǒng)是其不可缺少的一部分。其任務(wù)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。伺服系統(tǒng)在一些自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛，特別是在自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展的大趨勢(shì)情況下，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用顯得越發(fā)重要。當(dāng)前，我國(guó)正在推動(dòng)工業(yè)制造業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程，這個(gè)過(guò)程中需要大量的工業(yè)機(jī)器人及機(jī)床設(shè)備，在這些設(shè)備中伺服系統(tǒng)在整體控制方面有非常重要的應(yīng)用。

　　其中，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進(jìn)給伺服控制，另外還有對(duì)主運(yùn)動(dòng)的伺服控制，不過(guò)控制要求不如前者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

　　由于數(shù)控機(jī)床對(duì)產(chǎn)品加工時(shí)要求高，所以采用的伺服控制系統(tǒng)十分關(guān)鍵。目前在數(shù)控機(jī)床上使用的伺服控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)主要有：精度高，伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度；穩(wěn)定性好，穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。