伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置（计算机）和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。
（1）伺服系统的组成
伺服控制系统主要由伺服电机、驱动信号控制转换电路、电子电力驱动放大模块、位置调节单元、速度调节单元、电流调节单元、检测装置组成，一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环，如图5-1所示。
图5-1 伺服系统结构图
位置、速度和电流环均由调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说，位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。
1）开环伺服系统
开环伺服系统结构如图5-2所示。
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），系统稳定性好。
①无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。
②一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
③这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。
图5-2 开环系统结构
2）半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图5-3所示，是从驱动装置（常用伺服电机）或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。
图5-3 半闭环控制系统
①半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。
②由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
③半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
3）全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图5-4虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。
图5-4 闭环控制系统
①从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
②由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
③该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
（2）伺服电动机(www.xing528.com)
伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机有：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直线电机（高速、高精度）。
1）直流伺服电机及工作特性
常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机、直流力矩电机。
常用的直流进给伺服系统有：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）。
常用的直流主轴伺服系统有：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。
2）永磁直流伺服电机的性能特点
①低转速大惯量。
②转矩大。
③起动力矩大。
④调速范围大，低速运行平稳，力矩波动小。
（3）主轴驱动的速度控制
1）对直流主轴伺服系统的要求
①N、M—n特性，低速恒转矩，高速恒功率。
②良好的加、减速及换向功能。
③过载能力，150%（额定电流的1.5倍）。
④大的调速范围。
⑤准停、同步、恒线速度控制功能。
图5-5 主轴速度控制单元结构
2）直流主轴速度控制单元组成
直流主轴速度控制单元主要由调压部分、调磁部分组成，如图5-5所示。
①调压：一般采用晶闸管调速系统，同直流进给系统一样。包括速度环、电流环、可控硅整流主回路等。
②调磁：主轴电机为它激式直流电机，激磁绕组与电枢绕组无直接关系，需由另一直流电源供电。激磁回路由激磁电流设定电路、电枢电压反馈电路及激磁反馈电路三者的比较输出信号，经电流调节、触发脉冲发生器等，控制激磁电流的大小，完成恒功率调速，如图5-6所示。
3）直流速度控制单元调速控方式
图5-6 调速系统控制结构
当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。
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