伺服系统的分类和基本组成形式

伺服系统的分类和基本组成形式伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。其中，开环系统主要由驱动电路、执行元件和机床3大部分组成，常用的执行元件是步进电机；闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成，常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节，比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。伺服系统的基本组成形式可以分为模拟式、混合式和数字式。三种伺服系统都有位置反馈和速度反馈，区别在于混合式伺服系统的输入需要经过数字偏差器后进入模拟调节器。伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分，其静态和动态特性直接影响机床的位移速度、定位精度和加工精度。现在，直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代，并采用了新的控制理论和技术，实现了高速响应系统，不受机械负荷变动的影响。伺服系统的新发展技术包括前馈控制技术、机械静止摩擦的非线性控制技术、软件控制的位置环和速度环、高分辨的位置检测装置和补偿技术等。这些技术的应用使得伺服系统具有更高的精度和更好的稳定性。在数控系统中，伺服电机和步进电机都有应用。伺服电机可以实现高速响应和精准控制，而步进电机则可以实现精准定位和简单控制。两者的区别在于伺服电机具有更高的精度和更好的稳定性，但步进电机更加简单易用。步进电机是一种离散运动的装置，与现代数字控制技术密切相关。在国内的数字控制系统中，步进电机的应用非常广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中，特别是在运动控制系统中，大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然在控制方式上两者相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在较大的差异。首先，两者的控制精度不同。步进电机的步距角一般为3.6°、1.8°（两相混合式步进电机）或0.72°、0.36°（五相混合式步进电机）。一些高性能的步进电机步距角更小，例如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°。德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。相比之下，交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。这相当于步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。其次，两者的低频特性也不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。而交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。最后，两者的矩频特性也有所不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4.步进电机和交流伺服电机的过载能力不同。交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统可以承受速度和转矩过载。其最大转矩可达到额定转矩的三倍，可以克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。而步进电机没有这种过载能力，因此在选型时需要选择较大转矩的电机来克服惯性力矩，但在正常工作期间又不需要那么大的转矩，导致力矩浪费。5.步进电机和交流伺服电机的运行性能也不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大容易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高也容易出现过冲的现象。因此，为了保证控制精度，需要处理好升降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。6.