伺服系统分类技术分析

1.按伺服系统调节理论分（可分为开环、闭环和半闭环系统，参见第1章）

2.按使用的驱动元件分类

（1）电液伺服系统 电液伺服系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件。驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。数控机床发展的初期，多数采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好、时间常数小、反应快和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、漏油等问题，故从20世纪70年代起逐步被电气伺服系统代替。只是具有特殊要求时，才采用电液伺服系统。

（2）电气伺服系统 电气伺服系统全部采用电子器件和电动机部件，操作维护方便，可靠性高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题。但反应速度和低速力矩不如液压系统高，现在电动机的驱动线路、电动机本身的结构都得到很大改善，性能大大提高，已经在更大范围取代液压伺服系统。

3.按使用直流伺服电动机和交流伺服电动机分类

（1）直流伺服系统 直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机（也称为大惯量宽调速直流伺服电动机）。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性。在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电动机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杠相连接。

永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长时间工作以及电动机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1r/min甚至在0.1r/min下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的应用。自20世纪70年代至80年代中期，在数控机床上应用占绝对统治地位，至今，许多数控机床上仍使用这种电动机的直流伺服系统。永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为1000～1500r/min，而且结构复杂，价格较贵。

（2）交流伺服系统 交流伺服系统使用交流异步伺服电动机（一般用于主轴伺服电动机）和永磁同步伺服电动机（一般用于进给伺服电动机）。由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点（如上所述），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10%～70%。还有交流电动机的容量可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，到今天，有些国家的厂家，已全部使用交流伺服系统。

4.按进给驱动和主轴驱动分类

（1）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。(www.xing528.com)

（2）主轴伺服系统 严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。

5.按反馈比较控制方式分类

（1）脉冲、数字比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。脉冲、数字比较伺服系统结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。

（2）相位比较伺服系统 相位比较伺服系统中，位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。相位比较伺服系统适用于感应式检测元件（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精度。此外由于载波频率高，响应快，抗干扰性强，很适于连续控制的伺服系统。

（3）幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成数字信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。

幅值比较伺服系统的位置检测元件多用感应同步器或旋转变压器。该系统的特点之一是，所用的位置检测元件应工作在幅值方式上。

在以上三种伺服系统中，相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数字比较系统复杂和要求高，所以一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用的广泛，而且相位比较系统又比幅值比较系统应用的多。

（4）全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。