什么是伺服驅動系統？伺服驅動系統的基本概念及其組成分類

　　伺服驅動系統是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統，例如數控機床等。伺服系統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中時，必須加減速裝置。轉動慣量反映了系統的加速度特性，在選擇伺服電機時，系統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。

　　伺服驅動系統的基本概念

　　伺服系統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

　?。?）組成

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

　?。?） 作用

　　接受數控裝置發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行部件實現工作進給或快速運動。

　?。?） 基本技術要求

　?、?精度高

　?、?穩定性好

　?、?快速響應

　?、?調速范圍寬

　?。?）分類

　?、?步進電機驅動系統

　?、?直流伺服驅動系統：永磁直流伺服電動機

　?、?交流伺服驅動系統：永磁交流伺服電動機

　　2、開環控制伺服系統

　　開環進給伺服系統是數控機床中最簡單的伺服系統，執行元件一般為步進電機，其控制原理如圖2所示。

　　3、半閉環控制伺服系統

　　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，其控制原理見圖33所示。

　　4、閉環控制伺服系統

　　其控制原理見圖4。

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

　　伺服驅動系統的組成

　　機電一體化的伺服控制系統的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括控制器、功率放大、執行元件、機械部件等幾部分。下圖給出了系統組成原理框圖。

　　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的反饋信號進行比較后進行功率放大。

　　3、執行元件 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。機電一體化系統中的執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，是直接完成系統目的的主體。一般包括傳動系統、執行裝置和負載。

　　5、檢測環節 是指能夠對輸出進行測量，并轉換成比較環節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中，上述的每個環節在硬件特征上并不獨立，可能幾個環節在一個硬件中，如測速直流電機即是執行元件又是檢測元件。

　　伺服驅動系統的分類

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

　　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，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，主要關心它的轉矩大小、調節范圍的大小和調節精度的高低，以及動態響應速度的快慢。對于主軸驅動系統，主要關心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調節范圍及速度調節范圍。

　　2.開環控制和閉環控制

　　數控機床伺服驅動系統按有無位置反饋分兩種基本的控制結構，即開環控制和閉環控制。由此形成位置開環控制系統和位置閉環控制系統。閉環控制系統又可根據位置檢測裝置在機床上安裝的位置不同，進一步分為半閉環伺服驅動控制系統和全閉環伺服驅動控制系統。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為全閉環控制系統；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則為半閉環控制系統?，F代數控機床的伺服驅動多采用閉環控制系統。開環控制系統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。交流伺服驅動系統的最大優點是交流電機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發展，適合于在較惡劣的環境中使用。同時，從減少伺服驅動系統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。