伺服系統(tǒng)的結構組成

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(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與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2.控制器

控制器通常是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

3.執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4.被控對象

5.檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(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的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)，即伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它由計算機數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服驅動器、伺服電動機、速度和位置傳感器等組成。計算機數(shù)字控制系統(tǒng)用來存儲零件加工程序，根據(jù)編碼器反饋回來的信息進行各種插補運算和軟件實時控制，向各坐標軸的伺服驅動系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令。伺服驅動器和伺服電動機接收到計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的控制命令后，對功率進行放大、變換與調控等處理，能夠快速平滑調節(jié)運動速度，并能夠精確地進行位置控制。

伺服系統(tǒng)分類

從系統(tǒng)組成元件的性質來看，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)輸出量的物理性質來看，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作用特點來看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)；

從系統(tǒng)的結構特點來看，有單回伺服系統(tǒng)、多回伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機（簡稱直流電機）伺服系統(tǒng)、交流電動機（簡稱交流電機）伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)的基本要求和特點

1.對伺服系統(tǒng)的基本要求

（1）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，能在短暫的調節(jié)過程后到達新的或者回復到原有平衡狀態(tài)。

（2）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）快速響應性好：快速響應性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。

2.伺服系統(tǒng)的主要特點

（1）精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制。

（2）有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測裝置實現(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）高性能的伺服電動機（簡稱伺服電機）：用于高效和復雜型面加工的數(shù)控機床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機的輸出力矩與轉動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉平穩(wěn)，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。

（4）寬調速范圍的速度調節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結構看，數(shù)控機床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調節(jié)為外環(huán)、速度調節(jié)為內環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內部的實際工作過程是把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后，再通過調速系統(tǒng)驅動伺服電機，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主運動要求調速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調速系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)中的應用

在數(shù)控機床上，伺服調控系統(tǒng)是其不可缺少的一部分。其任務是把數(shù)控信息轉化為機床進給運動，從而實現(xiàn)精準控制。伺服系統(tǒng)在一些自動化機械設備中的應用非常廣泛，特別是在自動化生產(chǎn)發(fā)展的大趨勢情況下，伺服系統(tǒng)的應用顯得越發(fā)重要。當前，我國正在推動工業(yè)制造業(yè)的自動化進程，這個過程中需要大量的工業(yè)機器人及機床設備，在這些設備中伺服系統(tǒng)在整體控制方面有非常重要的應用。

其中，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制，另外還有對主運動的伺服控制，不過控制要求不如前者高。數(shù)控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

由于數(shù)控機床對產(chǎn)品加工時要求高，所以采用的伺服控制系統(tǒng)十分關鍵。目前在數(shù)控機床上使用的伺服控制系統(tǒng)，其優(yōu)點主要有：精度高，伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(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，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。