什么是伺服系統(tǒng)？伺服系統(tǒng)的分類(lèi)、組成及特點(diǎn)

01什么是伺服系統(tǒng)？

伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。

在很多情況下，伺服系統(tǒng)專(zhuān)指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)，其結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒(méi)有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于國(guó)防軍工，如火炮的控制，船艦、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛，導(dǎo)彈發(fā)射等，后來(lái)逐漸推廣到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門(mén)，如自動(dòng)機(jī)床、無(wú)線跟蹤控制等。

伺服系統(tǒng)主要作用有：

以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載;

在沒(méi)有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng);

使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào)，如記錄和指示儀表等。

02伺服系統(tǒng)的分類(lèi)

從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來(lái)看，有電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和電氣-液壓伺服系統(tǒng)及電氣-電氣伺服系統(tǒng)等;

從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來(lái)看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等;

從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號(hào)作用特點(diǎn)來(lái)看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng);

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，有單回伺服系統(tǒng)、多回伺服系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)直流電機(jī))伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)交流電機(jī))伺服系統(tǒng)。

03伺服系統(tǒng)的組成及基本要求

伺服系統(tǒng)主要由三部分組成:控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過(guò)反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量:功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電;電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。

伺服系統(tǒng)的基本要求是：

1.穩(wěn)定性好

穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后到達(dá)新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)。

2.精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在0.01~0.00lmm之間。

3.快速響應(yīng)性好

快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒;另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過(guò)渡過(guò)程的前沿陡，即上升率要大。

04伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.精確的檢測(cè)裝置

以組成速度和位置閉環(huán)控制。

2.有多種反饋比較原理與方法

根據(jù)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。

3.高性能的伺服電動(dòng)機(jī)

用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中。要求電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。

4.寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

即速度伺服系統(tǒng):從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實(shí)際工作過(guò)程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后，再通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅