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?hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象的電機(jī)系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可將所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)常用作執(zhí)行元件。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。其中，進(jìn)給伺服控制對(duì)伺服系統(tǒng)的要求更高，而主運(yùn)動(dòng)的伺服控制要求相對(duì)較低。因此，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)的質(zhì)量。伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件和控制方式劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)、開(kāi)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行元件和機(jī)床3大部分組成，常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)；閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)床5部分組成，常見(jiàn)的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤(pán)等。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反饋檢測(cè)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(cè)元件將機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)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(dòng)電路，控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，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(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在所導(dǎo)致的。因此，伺服系統(tǒng)的分類和基本組成形式對(duì)于機(jī)床的性能和精度有著至關(guān)重要的影響，需要在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體需求進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移，以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的跟隨。直流寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(guò)數(shù)字偏差器后進(jìn)入模擬調(diào)節(jié)器。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的重要組成部分，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性直接影響機(jī)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(shí)現(xiàn)了高速響應(yīng)系統(tǒng)，不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)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(jī)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(cè)裝置和補(bǔ)償技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)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(jī)和步進(jìn)電機(jī)都有應(yīng)用。伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制，而步進(jìn)電機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和簡(jiǎn)單控制。兩者的區(qū)別在于伺服電機(jī)具有更高的精度和更好的穩(wěn)定性，但步進(jìn)電機(jī)更加簡(jiǎn)單易用。步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)密切相關(guān)。在國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)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(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，特別是在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然在控制方式上兩者相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在較大的差異。首先，兩者的控制精度不同。步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為3.6°、1.8°（兩相混合式步進(jìn)電機(jī)）或0.72°、0.36°（五相混合式步進(jìn)電機(jī)）。一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小，例如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°。德國(guó)百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)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(jìn)電機(jī)的步距角。相比之下，交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)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(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。這相當(dāng)于步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。其次，兩者的低頻特性也不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。而交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。最后，兩者的矩頻特性也有所不同。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)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(jī)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(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)的過(guò)載能力不同。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)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(guò)載。其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可以克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。而步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有這種過(guò)載能力，因此在選型時(shí)需要選擇較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)來(lái)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(dǎo)致力矩浪費(fèi)。5.步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)的運(yùn)行性能也不同。步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大容易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高也容易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象。因此，為了保證控制精度，需要處理好升降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可以直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。6.