伺服作业

伺服控制系统的控制特性

1.引言

随着社会的发展，伺服控制系统在现代社会的作用就越来越大，运用范围也越来越广。从最开始的主要运用与军事方面到工业的方方面面都离不开伺服控制系统。伺服系统最初是用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。

2.伺服运动控制系统简介

2.1概念

用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统称为伺服控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

2.2分类

伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统，机电伺服系统又分步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统、交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。

(1)开环系统

它主要由驱动电路，执行元件和机床3大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。

(2)闭环系统

闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制

执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。

2.3伺服控制系统与运动控制系统的区别

运动控制系统主要是指运动单元以非常准确的设定速度在规定的时间到达准确位置的可控运动。在运动控制系统你中主要以速度、位置等为被控量，被控对象主要是直流电动机，一般以电流和速度作为系统的反馈检测量。运动控制系统中包含了伺服控制系统这一类别。而伺服控制系统中主要以位置或位移作为被控量，被控对象主要是交流电动机，一般以电流、速度和位移作为反馈检测量。

3.伺服系统的控制性能指标

对伺服控制系统来说，判断控制性能好坏主要有以下三个方面:

1、控制精度：输出量是否控制在目标值所允许的误差范围内。

2、快速性：输出量是否快速而准确地响应控制命令;响应速度、跟踪控制

命令的能力如何。

3、稳定性：伺服系统是否稳定?稳定是控制系统正常工作的前提。

4.伺服系统的基本特征

作为执行机构的伺服系统，与其它机电装置相比，有其应用场合的要求，以数控机床为例，可归纳为如下几点特征:

（1）精度高：伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。例如数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般为0.01一0.00mm，甚至0.1um。轮廓加工精度与速度控制和联动坐标的协调一致控制有关。

在速度控制中，要求高的调速精度，比较强的抗干扰能力。即对伺服系统的动态和静态精度要求都比较高。

(2)稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。数控机床对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响加工的精度和表面粗糙度。

(3)快速响应：快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反应了系统的跟踪精度。数控机床为了保证轮廓切削形状和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面要求过渡过程时间要尽可能短，一般在几毫秒以内，甚至达到微秒级;另一方面要求超调要小，甚至没超调。这两方面的要求往往是矛盾的，实际应用按工艺要求作出选择。

(4)调速范围宽：调速范围是生产机械要求电机能提供的额定负载时的最高转速和最低转速之比，对少数负载很轻的机械，也可以是实际负载下的转速。在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。

(5)低速大转矩：机床加工的特点是在低速时进行重切削，因此要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒功率控制;而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。

5.现代伺服控制系统的发展趋势

现代伺服控制系统以交流伺服系统为主，在这里主要谈谈交流伺服系统。现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块(比如IR推出的伺服控制专用引擎)也不足为奇。国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2～2.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势。

其一，服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口”。