伺服系统分类知识普及

伺服系统可以有很多种不同的分类方法，具体如下所述。

（1）按控制原理的不同分为开环、全闭环和半闭环等伺服系统。

1）开环伺服系统

若伺服系统没有检测反馈信号的装置则称为开环伺服系统。开环伺服系统结构简单，但精度不是很高。大多数经济型数控机床均采用了这种没有检测反馈的开环控制结构。老式机床在数控化改造时，工作台的进给系统更是广泛采用开环控制，图6-2给出了这种控制的结构简图。数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功率放大后，驱动步进电动机旋转。由于没有检测反馈，工作台的位移精度主要取决于步进电动机和传动件的累积误差。因此，开环伺服系统的精度较低，一般可达0.01mm左右，且速度也有一定的限制。虽然开环控制在精度方面有不足，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便，另外由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所以其工作稳定、可靠，因此在一些精度和速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中获得广泛应用。

2）全闭环伺服系统

图6-2 开环伺服系统结构简图

如图6-3所示是一个全闭环伺服系统，安装在工作台上的位置传感器可以是直线感应同步器，也可以是长光栅，它可将工作台的直线位移转换成电信号，并在比较环节与指令脉冲相比较，所得到的偏差值经过放大，由伺服电动机驱动工作台向偏差减小的方向移动。若数控装置中的脉冲指令不断地产生，工作台就随之移动，直到偏差值等于零为止。

图6-3 全闭环伺服系统结构简图

全闭环伺服系统将位置传感器件直接安装在工作台上，从而可获取工作台实际位置的精确信息，定位精度可以达到亚微米量级，从理论上讲，其精度主要取决于检测反馈部件的误差，而与放大器、传动装置没有直接的联系。该系统是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案，但实现起来难度很大，存在稳定性问题：由于全部的机械传动链都被包含在位置闭环之中，机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本亦会急速攀升。因此，全闭环伺服系统主要用于高精密和大型的机电一体化设备。

3）半闭环伺服系统

如图6-4所示是一个半闭环伺服系统的结构简图。工作台的位置通过电动机上的传感器或是安装在丝杠轴端的编码器间接获得，它与全闭环伺服系统的区别在于检测元件位于系统传动链的中间，故称为半闭环伺服系统。显然由于有部分传动链在系统闭环之外，故其定位精度仅比全闭环的稍差。但由于测量角位移比测量线位移容易，并可在传动链的任何转动部位进行角位移的测量和反馈，故结构比较简单，调整、维护也比较方便。由于将惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，这种系统调试较容易、稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。

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图6-4 半闭环伺服系统结构简图

（2）按信息传递的不同分为连续控制系统与采样控制系统

连续控制系统又称为模拟控制系统，系统中传递的信号是模拟量，其发展最早，已广泛应用于各类工业控制领域中；而采样控制系统中的信号是脉冲序列成数字编码，通过采样开关把模拟量转换为离散量，故这类系统又称作脉冲控制系统或离散控制系统，它由采样器、数字控制器和保持器组成，如图6-5所示。

图6-5 采样控制系统结构简图

与连续控制系统相比，采样控制具有以下优点：

1）数字元件比模拟元件具有更高的可靠性和稳定性。

2）受到扰动时，经过几个采样周期即可快速达到稳定，受扰动的影响小。

3）具有更大的灵活性，实现控制规律的高精度。

（3）按驱动方式的不同可分为电气、液压、气动等伺服系统。

其中电气伺服系统采用伺服电动机作为执行元件，又有直流伺服系统、交流伺服系统、步进伺服系统之分，在机电一体化产品中得到广泛应用。

（4）按被控量性质的不同可分为位置控制、速度或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系统。

（5）按控制过程又分为点位控制系统与轮廓控制系统等。