伺服系统的基本概念(培训资料之一)

伺服系统的基本概念

1伺服系统的基本概念

1.1伺服系统

“伺服”即“跟随”，“随动”的意思。所谓伺服系统，就是被调量跟随指令值变化的闭环调节系统。如果被调量是速度就称为速度伺服系统，如果被调量是位置则称为位置伺服系统。因为绝大多数伺服系统是以速度作为被调量，例如CNC机床中使用的伺服系统，所以一般“伺服系统”是指速度伺服系统，其他伺服系统要在伺服系统的前面冠以被调量名称。

伺服系统与调速系统都是以速度作为被调量的闭环调节系统，区别在于调速系统的速度指令值是恒值（称为恒值调节系统），不要求对速度指令值的快速响应，但要求系统对负载扰动有快速调节作用，即有较强的抗负载扰动能力；伺服系统的速度指令是变化的，要求系统对速度指令快速响应，且有极强的抗负载扰动能力。

对位置伺服系统的要求是快速跟踪位置指令值的变化。位置伺服系统用于定位控制（位置指令值为恒值）时，要求定位精度高，定位误差（位置稳态误差）小；当用于位置跟踪控制（位置指令值随机变化）时，还要求跟踪指令位置时的位置误差（位置跟踪误差）也小。位置随动系统用于位置跟踪控制时又称位置随动系统，简称随动系统。

1.2伺服机构，闭环调节系统

伺服系统是通过伺服机构使电动机与被调节对象连接的。在CNC车床上，使刀架作直线运动进行切削的刀架滑座为被调节对象；在CNC铣床上，使工件作直线运动进行切削的工作台滑座为被调节对象；在舰炮控制中，使舰炮作方位回转和俯仰回转的滑座为被调节对象，等等。当被调节对象为直线运动时，伺服机构需将电动机的旋转运动转换为被调节对象的直线运动；当被调节对象为旋转运动时，伺服机构则将电动机的转

速转换为符合被调节对象要求的转速。

将旋转运动转换为直线运动的伺服机构有螺母—丝杠副，滚珠丝杠副，齿轮—齿条副，蜗母—牙条副，等等；将电动机的转速转换为适合负载要求的转速的伺服机构有齿型带传动，齿轮减速器，行星齿轮减速器，谐波齿轮减速器，等等。

闭环调节系统的工作原理是不断比较被调节量与指令值计算出误差值，并使被调量向减小误差方向变化。被调量回馈到系统的输入端与指令值进行比较称为反馈，将被调量转换为可以与指令值（电信号）相比较的电信号的装置称为反馈装置。速度反馈装置一般为测速发电机（测速头），位置反馈装置可以是光电编码器，旋转变压器等。

反馈取至被调节对象，称为全闭环调节系统；反馈取至电动机轴，称为半闭环调节系统。全闭环调节系统中的伺服机构的误差可以得到系统的闭环补偿，因此调节精度高，但要求伺服机构刚性好，传动间隙小，否则得不到较好的补偿效果。半闭环调节系统由于伺服机构在闭环外，调节系统有较好的动态性能，但机械传动系统的误差（丝杠螺距误差，传动间隙）得不到闭环补偿。CNC机床利用CNC系统的存储式螺距误差补偿和间隙补偿功能对丝杠螺距误差和传动间隙进行开环补偿，但由于传动系统刚性不足产生的弹性变形引起的随机误差无法补偿，因此半闭环调节系统的伺服机构必须具有较好的刚度和精度，补偿才能获得较好的效果。

1.3伺服电机

电机是驱动机器运动部分的动力。绝大多数机器对电机的转矩（电流），速度和转角（位置）的控制没有精度和快速性的要求，但CNC机床控制刀具运动（CNC车床）的控制轴电机，控制主轴，工件运动（CNC铣床，加工中心）的控制轴电机，军工位置随动系统的随动轴电机等，要求其转矩（电流），速度和转角（位置）能精确而快速的跟踪指令值的变化。为了区别普通用途电动机，称为伺服电机。伺服电机的特点是：

●转动惯量小，过载能力大：一般伺服电机具有细长的转子，转动惯量比普通电动

机小几个数量级；直流伺服电机具有5—8倍的过载能力，交流伺服电机具有3

—5倍的过载能力。由于伺服电机转动惯量小，过载能力大，具有很高的加/减

速能力。对CNC机床要求伺服电机带惯性负载加速到最高转速的时间小于100

ms（间接判据）。

●转矩脉动小，低速性能好，调速范围大：伺服电机铁芯槽数多，换向器片数多

（直流伺服电机），正弦波电流驱动（交流伺服电机），因此转矩脉动小，低速性

能好。Kollmorgen公司的B/M系列伺服电机在BDS5系列伺服放大器驱动下，

速度分辨率为0.00005 rpm，调速范围为15000000 : 1。实测转动灵敏度为1

角秒。

●电机寿命长，防护等级高：伺服电机绕组绝缘等级高，一般为H级或B级绝缘，

绕组寿命高。伺服电机一般采用含油轴承，免维护；轴承予加载，工作寿命长。

伺服电机具有IP44以上的防护等级，允许在恶劣的工业环境下工作。B/M系列

电机的防护等级为IP65，可选择IP67。

●可靠的电机过热保护：一般在伺服电机壳体上装有热动开关或在伺服电机绕组

内埋有热敏元件，防止电机过热。它比用过载继电器（热继电器）保护更可靠。

●丰富的选件：伺服电机为适应各种机器的不同要求，备有很多选件供选择。例

如使用滚珠丝杠的垂直轴伺服电机，由于滚珠丝杠没有自锁能力，为防止系统断

电时运动部分下滑，可选择带防滑制动器的伺服电机。需要减速器的机器可以选

择带齿轮头（齿轮减速器）的伺服电机。另外象反馈元件，电缆连接器等都可以

选择。

1.4伺服放大器，运动控制器

伺服放大器由给伺服电机供电的功率放大器和闭环控制用的调节器组成。电流（转矩）伺服放大器可进行电流（转矩）闭环控制，速度伺服放大器可进行速度闭环控制，位置伺服放大器可进行位置闭环控制。速度伺服放大器使用的最多，简称伺服放大器。

通常，伺服放大器只完成对伺服电机的控制，全部机器的控制还需有诸如CNC（数控系统），PLC（可编程控制器），工业PC（允许在工业环境下工作的个人计算机）等上位机来完成。由上位机向伺服放大器发出转矩（电流），速度和位置指令，伺服放大器控制伺服电机跟踪指令值的变化。

集伺服放大器，位置控制器和可编程控制器（PLC）为一体的装置称为运动控制器。它可以完成控制要求不太复杂的机器的全部控制任务而不需要上位机。Kollmorgen公司的BDS5系列定位器，就是典型的运动控制器。