伺服系统工作原理详解

伺服系统分为开环和闭环控制两类，开环控制与闭环控制的主要区别为是否采用了由位置反馈和速度的反馈检测元件组成的反馈系统。开环控制结构简单，精度低。闭环控制精度高，但构成较复杂，是进给驱动系统的主要形式。

1.开环控制进给驱动系统

无位置反馈检测元件的伺服进给系统称为开环控制进给驱动系统。采用步进电动机（包括电液脉冲电动机）作为伺服驱动元件，是其最明显的特点，如图7-1所示。在开环控制进给驱动系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制了步进电动机的角位移。步进电动机的旋转速度取决于指令脉冲的频率，转角的大小则取决于脉冲数目。步进电动机经过减速装置（或直接连接）带动丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。

由于系统中没有位置和速度反馈控制回路，工作台是否移动到位，取决于步进电动机的步距角精度、齿轮传动间隙、丝杠螺母副精度等，因此，开环系统的精度较差，但由于其结构简单、易于调整，在精度不高的场合仍得到广泛应用。

图7-1　开环控制进给驱动系统

2.闭环控制进给驱动系统

闭环控制进给驱动系统一般采用伺服电动机作为驱动元件，根据位置反馈检测元件所处在数控机床不同的位置，它可以分为半闭环、全闭环和混合闭环三种。半闭环控制进给驱动系统一般将位置反馈检测元件安装在伺服电动机的非输出轴端，伺服电动机角位移通过滚珠丝杠副等机械传动机构转换为数控机床工作台的直线或角位移。全闭环控制进给驱动系统是将位置反馈检测元件安装在机床工作台或某些部件上，以获取工作台的实际位移量。混合闭环控制进给驱动系统则采用半闭环控制和全闭环控制结合的方式。图7-2所示为半闭环控制进给驱动系统。

图7-2　半闭环控制进给驱动系统(www.xing528.com)

半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠副等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移，如果滚珠丝杠副的精度足够高、间隙小，精度要求一般可以得到满足。由于这种系统抛开了机械传动系统的刚度、间隙、制造误差和摩擦阻尼等非线性因素，所以调试比较容易，稳定性好。尽管这种系统不反映反馈回路之外的误差，但由于采用高分辨率的检测元件，故也可以获得比较满意的精度。而且传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差）可以由数控装置加以补偿，因而可进一步提高精度，因此在精度要求适中的中、小型数控机床上半闭环控制进给驱动系统得到了广泛的应用。

半闭环控制进给驱动系统的优点是闭环环路短（不包括传动机械），因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿。例如，由于传动机构扭曲变形所引起的弹性变形，因其与负载力矩有关，故无法补偿。此外，由制造与安装所引起的重复定位误差，以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也不能补偿。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制进给驱动系统。

如图7-3所示为全闭环控制进给驱动系统。它由伺服电动机、检测反馈单元、驱动线路、比较环节等部分组成。检测反馈单元安装在机床工作台上，将测量的工作台位移量直接转换成电信号，反馈给比较环节与指令信号比较，并将其差值经伺服放大器放大，控制伺服电动机带动工作台移动，直至二者差值为零为止。

图7-3　全闭环控制进给驱动系统

全闭环控制进给驱动系统消除了进给驱动系统的全部误差，所以精度很高（从理论上讲，精度取决于检测装置的测量精度）。然而，由于各个环节都包括在反馈回路内，所以机械传动系统的刚度、间隙、制造误差和摩擦阻尼等非线性因素都直接影响伺服系统的调制参数。由此可见，全闭环控制进给驱动系统的结构复杂，其调试、维护都有较高的技术难度，价格也较昂贵。常用于精密数控机床。

全闭环控制进给驱动系统直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环控制进给驱动系统可以降低对传动机构的要求。因闭环环路包括了机械传动机构，它的闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，而且还取决于阻尼、油的黏度、滑动面摩擦系数等因素。这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给闭环控制进给驱动系统的调整和稳定带来了困难，导致调整闭环环路时必须降低位置增益，但这加大了跟随误差与轮廓加工误差。所以采用全闭环控制进给驱动系统时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。

图7-4　混合闭环控制进给驱动系统

图7-4所示为混合闭环控制进给驱动系统。混合闭环控制进给驱动系统采用半闭环与全闭环控制结合的方式。它利用半闭环控制进给驱动系统所能达到的高位置增益，从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环控制进给驱动系统补偿半闭环控制进给驱动系统无法修正的传动误差，从而提高了系统的精度。混合闭环控制进给驱动系统适用于重型、超重型数控机床，因为这些机床的移动部件很重，故设计时提高刚性较困难。