什么是伺服驅動系統(tǒng)？伺服驅動系統(tǒng)的基本概念及其組成分類

　　伺服驅動系統(tǒng)是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，例如數控機床等。伺服系統(tǒng)中的驅動電機要求具有響應速度快、定位準確、轉動慣量（ 機電系統(tǒng)中的伺服電機的轉動慣量較大，為了能夠和絲杠等機械部件直接相連，也為了得到極高的響應速度，伺服電機有一種專門的小慣量電機。

　　但這類電機的過載能力低，當使用在進給伺服系統(tǒng)中時，必須加減速裝置。轉動慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性，在選擇伺服電機時，系統(tǒng)的轉動慣量不能大于電機轉動慣量的3倍。）較大等特點，這類專用的電機稱為伺服電機。當然，其基本工作原理和普通的交直流電機沒有什么不同。該類電機的專用驅動單元稱為伺服驅動單元，有時簡稱為伺服，一般其內部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。

　　伺服驅動系統(tǒng)的基本概念

　　伺服系統(tǒng)是數控機床的重要組成部分，是連接數控裝置（計算機）和機床之間的關鍵橋梁，伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數控機床的性能，如數控機床的定位精度、跟蹤精度、最高移動速度等重要指標。建議我們先來學習一些基礎概念，再學習各種進給伺服系統(tǒng)的控制方式。深刻理解掌握這部分知識，會對更好的學習后面的數控加工工藝有一定的幫助。

　　1、進給伺服系統(tǒng)

　?。?）組成

　　進給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅動裝置、伺服電機、機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。 見圖1所示。

　?。?） 作用

　　接受數控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動裝置作一定的轉換和放大后，經伺服電機（直流、交流伺服電機、功率步進電機等）和機械傳動機構，驅動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現工作進給或快速運動。

　　（3） 基本技術要求

　?、?精度高

　　② 穩(wěn)定性好

　?、?快速響應

　?、?調速范圍寬

　　（4）分類

　?、?步進電機驅動系統(tǒng)

　?、?直流伺服驅動系統(tǒng)：永磁直流伺服電動機

　?、?交流伺服驅動系統(tǒng)：永磁交流伺服電動機

　　2、開環(huán)控制伺服系統(tǒng)

　　開環(huán)進給伺服系統(tǒng)是數控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件一般為步進電機，其控制原理如圖2所示。

　　3、半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

　　采用旋轉型角度測量元件（脈沖編碼器、旋轉變壓器、圓感應同步器等）和直流伺服電動機按照反饋控制原理構成的位置伺服系統(tǒng)，其控制原理見圖33所示。

　　4、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

　　其控制原理見圖4。

　　進給伺服系統(tǒng)是數控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。

　　伺服驅動系統(tǒng)的組成

　　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、功率放大、執(zhí)行元件、機械部件等幾部分。下圖給出了系統(tǒng)組成原理框圖。

　　1、控制器 通常是計算機或PID控制電路，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。

　　2、功率放大 是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較后進行功率放大。

　　3、執(zhí)行元件 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、機械部件 是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載。

　　5、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。

　　在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述的每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不獨立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中，如測速直流電機即是執(zhí)行元件又是檢測元件。

　　伺服驅動系統(tǒng)的分類

　　數控機床的伺服驅動系統(tǒng)按其用途和功能分為進給驅動系統(tǒng)和主軸驅動系統(tǒng)；按其控制原理和有無位置檢測反饋環(huán)節(jié)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；按驅動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅動系統(tǒng)和電氣伺服驅動系統(tǒng)。電氣伺服驅動系統(tǒng)又分為直流伺服驅動系統(tǒng)和交流伺服驅動系統(tǒng)。

　　1.進給驅動與主軸驅動

　　進給驅動是用于數控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需的轉矩。主軸驅動控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力。一般地，對于進給驅動系統(tǒng)，主要關心它的轉矩大小、調節(jié)范圍的大小和調節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應速度的快慢。對于主軸驅動系統(tǒng)，主要關心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調節(jié)范圍及速度調節(jié)范圍。

　　2.開環(huán)控制和閉環(huán)控制

　　數控機床伺服驅動系統(tǒng)按有無位置反饋分兩種基本的控制結構，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。由此形成位置開環(huán)控制系統(tǒng)和位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又可根據位置檢測裝置在機床上安裝的位置不同，進一步分為半閉環(huán)伺服驅動控制系統(tǒng)和全閉環(huán)伺服驅動控制系統(tǒng)。若位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上，構成的伺服驅動控制系統(tǒng)為全閉環(huán)控制系統(tǒng)；若位置檢測裝置安裝在機床絲杠上，構成的伺服驅動控制系統(tǒng)則為半閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F代數控機床的伺服驅動多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)常用于經濟型數控或老設備的改造。

　　3.直流伺服驅動與交流伺服驅動

　　直流大慣量伺服電機具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過載能力強，而且，由于電機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構成閉環(huán)后易于調整。而直流中小慣量伺服電機及其大功率晶體管脈寬調制驅動裝置，比較適應數控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電機一個最大的特點是具有電刷和機械換向器，這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展，使其應用受到限制。

　　進入1980年代，在電機控制領域交流電機調速技術取得了突破性進展，交流伺服驅動系統(tǒng)大舉進入電氣傳動調速控制的各個領域。交流伺服驅動系統(tǒng)的最大優(yōu)點是交流電機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電機比直流電機將更合理。