本文首先介紹了伺服系統(tǒng)的組成部分以及結構組成，其次介紹了伺服系統(tǒng)的基本原理及分類，最后詳細的闡述了伺服系統(tǒng)的性能要求、參數以及應用。
什么是伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統(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（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。
在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），其結構組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于國防軍工， 如火炮的控制， 船艦、飛機的自動駕駛，導彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國民經濟的許多部門，如自動機床、無線跟蹤控制等。
伺服系統(tǒng)的組成部分
伺服系統(tǒng)的結構組成
機電一體化的伺服控制系統(tǒng)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(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。下圖給出了伺服系統(tǒng)組成原理框圖。
1、比較環(huán)節(jié)
比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現。
2、控制器
控制器通常是計算機或PID控制電路，其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(zhí)行元件按要求動作。
3、執(zhí)行環(huán)節(jié)
執(zhí)行環(huán)節(jié)的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(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。
4、被控對象
5、檢測環(huán)節(jié)
檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。
伺服系統(tǒng)的基本原理
位置檢測裝置將檢測到的移動部件的實際位移量進行位置反饋，與位置指令信號進行比較，將兩者的差值進行位置調節(jié)，變換成速度控制信號，控制驅動裝置驅動伺服電動機以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到指令位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。
伺服系統(tǒng)的分類
1、開環(huán)伺服系統(tǒng)
開環(huán)伺服系統(tǒng)即無位置反饋的系統(tǒng)，其驅動元件主要是功率步進電機或液壓脈沖馬達。這兩種驅動元件的工作原理的實質是數字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測元件實現定位，而是靠驅動裝置本身，轉過的角度正比與指令脈沖的個數；運動速度由進給脈沖的頻率決定。
開環(huán)伺服系統(tǒng)的結構簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，告訴扭矩小。一般用于輕載負載變化不大或經濟型數控機床上。
2、閉環(huán)伺服系統(tǒng)
閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動隨動系統(tǒng)。數控機床進給系統(tǒng)的誤差，是CNC輸出的位置指令和機床工作臺（或刀架）實際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)運動執(zhí)行元件不能反映運動的位置，因此需要有位置檢測裝置。該裝置測出實際位移量或者實際所處的位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進行比較，求得誤差，依次構成閉環(huán)位置控制。
由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差，環(huán)內各元件的誤差以及運動中造成的誤差都可以得到補償，從而大大提高了跟隨精度和定位精度。
3、半閉環(huán)系統(tǒng)
位置檢測元件不直接安裝在進給坐標的最終運動部件上，而是中間經過機械傳動部件的位置轉換，稱為間接測量。亦即坐標運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，在環(huán)外的傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償，因而這種伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。
半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的控制結構是一致的，不同點只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內包括較多的機械傳動部件，傳動誤差均可被補償。理論上精度可以達到很高。但由于受機械變形、溫度變化、振動以及其它因素的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性難以調整。此外，機床運行一段時間后，由于機械傳動部件的磨損、變形以及其它因素的改變，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定性改變，精度發(fā)生變化。因此，目前使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。只在具備傳動部件緊密度高、性能穩(wěn)定、使用過程溫差變化不大的高精度數控機床上使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)的性能要求及參數
性能要求
對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度和快速響應性。
穩(wěn)定性好：作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力，在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后到達新的或者回復到原有平衡狀態(tài)；
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。作為精密加工的數控機床，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；
快速響應性好：有兩方面含義，一是指動態(tài)響應過程中，輸出量隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度�？焖夙憫允撬欧到y(tǒng)動態(tài)品質的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。
節(jié)能高：由于伺服系統(tǒng)的快速相應，注塑機能夠根據自身的需要對供給進行快速的調整，能夠有效提高注塑機的電能的利用率，從而達到高效節(jié)能。
主要參數
衡量伺服系統(tǒng)性能的主要指標有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬，由系統(tǒng)頻率響應特性來規(guī)定，反映伺服系統(tǒng)的跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機構的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。一般伺服系統(tǒng)的帶寬小于15赫，大型設備伺服系統(tǒng)的帶寬則在1～2赫以下。自20世紀70年代以來，由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統(tǒng)實現了直接驅動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達到50赫，并成功應用在遠程導彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場所。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。
因此，在伺服系統(tǒng)中必須采用高精度的測量元件，如精密電位器、自整角機、旋轉變壓器、光電編碼器、光柵、磁柵和球柵等。此外，也可采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，例如將測量元件（如自整角機）的測量軸通過減速器與轉軸相連，使轉軸的轉角得到放大，來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉軸嚙合的測角線路稱精讀數通道，直接取自轉軸的測角線路稱粗讀數通道。
伺服系統(tǒng)的應用
1、激光加工領域
2、機器人領域
3、數控車床領域
4、大規(guī)模集成電路制造辦公自動化設備
5、雷達等高科技領域
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