伺服驱动系统的基本概念和工作原理

　　伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量（ 机电系统中的伺服电机的转动惯量较大，为了能够和丝杠等机械部件直接相连，也为了得到极高的响应速度，伺服电机有一种专门的小惯量电机。

　　但这类电机的过载能力低，当使用在进给伺服系统中时，必须加减速装置。转动惯量反映了系统的加速度特性，在选择伺服电机时，系统的转动惯量不能大于电机转动惯量的3倍。）较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。

　　伺服驱动系统的基本概念伺服系统是数控机床的重要组成部分，是连接数控装置（计算机）和机床之间的关键桥梁，伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高移动速度等重要指标。建议我们先来学习一些基础概念，再学习各种进给伺服系统的控制方式。深刻理解掌握这部分知识，会对更好的学习后面的数控加工工艺有一定的帮助。

　　1、进给伺服系统（1）组成进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。

　　（2） 作用接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。

　　（3） 基本技术要求　　① 精度高　　② 稳定性好　　③ 快速响应　　④ 调速范围宽（4）分类　　① 步进电机驱动系统　　② 直流伺服驱动系统：永磁直流伺服电动机　　③ 交流伺服驱动系统：永磁交流伺服电动机2、开环控制伺服系统开环进给伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机，其控制原理如图2所示。

　　3、半闭环控制伺服系统采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和直流伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，其控制原理见图33所示。

　　4、闭环控制伺服系统其控制原理

进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。

　　伺服驱动系统的组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、功率放大、执行元件、机械部件等几部分。

　　1、控制器 通常是计算机或PID控制电路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。

　　2、功率放大 是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较后进行功率放大。

　　3、执行元件 作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。

　　4、机械部件 是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包括传动系统、执行装置和负载。

　　5、检测环节 是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。一般包括传感器和转换电路。

　　在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。伺服驱动系统的分类数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。

　　1.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。

　　2.开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制。由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统；若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。

　　3.直流伺服驱动与交流伺服驱动直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。

　　进入1980年代，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理。

　　编辑：黄飞