伺服系統(tǒng)的分類和基本組成形式

伺服系統(tǒng)的分類和基本組成形式伺服系統(tǒng)是一種能夠?qū)㈦妷盒盘栟D(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象的電機系統(tǒng)。它的主要特點是具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可將所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，其轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電機常用作執(zhí)行元件。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(qū)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。其中，進給伺服控制對伺服系統(tǒng)的要求更高，而主運動的伺服控制要求相對較低。因此，數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)的質(zhì)量。伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動元件和控制方式劃分，有步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機伺服系統(tǒng)、交流電動機伺服系統(tǒng)、開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等。其中，開環(huán)系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路、執(zhí)行元件和機床3大部分組成，常用的執(zhí)行元件是步進電機；閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和機床5部分組成，常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。根據(jù)進入比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式，閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)3種。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動電路，控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到跟隨誤差為零。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些，這是由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在所導致的。因此，伺服系統(tǒng)的分類和基本組成形式對于機床的性能和精度有著至關(guān)重要的影響，需要在實際應用中根據(jù)具體需求進行選擇和配置。執(zhí)行元件在伺服系統(tǒng)中扮演著重要的角色，其作用是將電信號轉(zhuǎn)化為機械位移，以實現(xiàn)控制信號的跟隨。直流寬調(diào)速電動機和交流電動機是常用的執(zhí)行元件，不同的執(zhí)行元件需要不同的驅(qū)動電路。伺服系統(tǒng)的基本組成形式可以分為模擬式、混合式和數(shù)字式。三種伺服系統(tǒng)都有位置反饋和速度反饋，區(qū)別在于混合式伺服系統(tǒng)的輸入需要經(jīng)過數(shù)字偏差器后進入模擬調(diào)節(jié)器。伺服驅(qū)動技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的重要組成部分，其靜態(tài)和動態(tài)特性直接影響機床的位移速度、定位精度和加工精度?，F(xiàn)在，直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代，并采用了新的控制理論和技術(shù)，實現(xiàn)了高速響應系統(tǒng)，不受機械負荷變動的影響。伺服系統(tǒng)的新發(fā)展技術(shù)包括前饋控制技術(shù)、機械靜止摩擦的非線性控制技術(shù)、軟件控制的位置環(huán)和速度環(huán)、高分辨的位置檢測裝置和補償技術(shù)等。這些技術(shù)的應用使得伺服系統(tǒng)具有更高的精度和更好的穩(wěn)定性。在數(shù)控系統(tǒng)中，伺服電機和步進電機都有應用。伺服電機可以實現(xiàn)高速響應和精準控制，而步進電機則可以實現(xiàn)精準定位和簡單控制。兩者的區(qū)別在于伺服電機具有更高的精度和更好的穩(wěn)定性，但步進電機更加簡單易用。步進電機是一種離散運動的裝置，與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)密切相關(guān)。在國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應用非常廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，特別是在運動控制系統(tǒng)中，大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然在控制方式上兩者相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在較大的差異。首先，兩者的控制精度不同。步進電機的步距角一般為3.6°、1.8°（兩相混合式步進電機）或0.72°、0.36°（五相混合式步進電機）。一些高性能的步進電機步距角更小，例如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°。德國百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。相比之下，交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。這相當于步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。其次，兩者的低頻特性也不同。步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。而交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。最后，兩者的矩頻特性也有所不同。步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。4.步進電機和交流伺服電機的過載能力不同。交流伺服電機具有較強的過載能力，例如松下交流伺服系統(tǒng)可以承受速度和轉(zhuǎn)矩過載。其最大轉(zhuǎn)矩可達到額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可以克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。而步進電機沒有這種過載能力，因此在選型時需要選擇較大轉(zhuǎn)矩的電機來克服慣性力矩，但在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，導致力矩浪費。5.步進電機和交流伺服電機的運行性能也不同。步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大容易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高也容易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。因此，為了保證控制精度，需要處理好升降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可以直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。6.