伺服系统的基本要求、特点和分类
进给伺服系统
变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁 场）
方法
A、B、C三相坐标系的交流量→D、Q两相固定坐 标系的交流量→转子磁场定向的M’－T’直角坐标系 的直流量
电动机控制对比
直流电动机
与电机电磁转矩相关的主磁通Φ和电枢电流Ia是相 互独立的两个变量
分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转 矩电压U
改变Ke
即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
n (U IaRa) ke
n U Ia (Ra Rt ) ke
大惯量直流伺服电机
又称：
宽调速直流伺服电机、直流力矩电机
激磁方式：
PWM调速的特点
开关频率高 纹波系数低 频带较宽 可在高峰值电流下工作
4.4 交流伺服系统
含义：
使用AC电机的伺服系统
分类：
交流感应电机（异步）：结构简单，容量大， 价格低，一般用作主运动的驱动电路
交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电 机
永磁同步式交流伺服电机
组成：
交流伺服电机调速
永磁式
特点：
输出力矩大：
高性能的磁性材料，产生强磁场φ，具有大的矫顽力和足 够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求
增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气 时间常数都减小，改善响应的快速性。
大惯量直流伺服电机
特点：
大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的 热容量，过载能力强，允许持续过载的时间 长。
之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
4.2 步进电机及其调速
伺服系统的基本要求及特征
伺服系统的基本要求及特征伺服系统的基本要求及特征1. 引言伺服系统作为现代控制系统中的重要组成部分，其基本要求及特征对于系统的性能和稳定性具有重要影响。
本文将从以下几个方面介绍伺服系统的基本要求及特征。
2. 基本要求伺服系统需要满足以下基本要求：•高精度控制：伺服系统需要能够实现高精度的位置或速度控制，以满足精密加工、运动控制等应用需求。
•快速响应：伺服系统需要具备快速响应的特性，能够在短时间内对输入信号作出准确的反应。
•稳定性：伺服系统需要具备良好的稳定性，能够保持输出信号稳定在给定值附近，不受外部干扰的影响。
•可靠性：伺服系统需要具备高可靠性，能够长时间稳定运行并具备故障自动检测和纠正的功能。
3. 特征伺服系统具有以下几个特征：精确度伺服系统的精确度是指系统能够实现的位置或速度控制的准确性。
通常使用误差指标来评估系统的精确度，包括位置偏差、速度误差等。
精确度与系统的传感器、控制算法等因素密切相关。
响应速度伺服系统的响应速度是指系统对输入信号作出反应的快慢程度。
响应速度取决于系统的动态特性，包括惯性、摩擦力等因素。
响应速度越快，系统的动态性能越好。
控制稳定性伺服系统的控制稳定性是指系统输出信号能够稳定在给定值附近的能力。
稳定性与系统的控制算法、控制器参数等因素密切相关。
稳定性越好，系统越不容易产生震荡、偏离目标值等问题。
功率输出伺服系统的功率输出能力是指系统能够输出的最大功率。
功率输出受到电机及传动机构等因素的限制。
高功率输出能力对于承载大负载、高速运动等应用非常重要。
4. 总结伺服系统作为控制系统的重要组成部分，其基本要求及特征对于系统的性能和稳定性具有重要影响。
高精度控制、快速响应、稳定性和可靠性是伺服系统的基本要求。
精确度、响应速度、控制稳定性和功率输出是伺服系统的主要特征。
只有满足这些要求和特征，伺服系统才能够在各种应用场景下发挥优秀的性能。
5. 应用领域伺服系统广泛应用于以下领域：•工业自动化：伺服系统用于控制工业机器人、数控机床等设备，实现高精度的加工、装配等工业自动化任务。
伺服系统-第一章伺服系统设计概述
最大跟踪角加速度εmax
系统跟踪误差不超过em时，系统输出轴所能达到 的最大角加速度。
最大角速度Ωk、最大角加速度εk
不考虑跟踪精度的情况下，系统输出轴所能达到 的极限速度和极限角加速度。
正弦跟踪误差esin 速度品质系数Kv、加速度品质系数Ka 调速范围D
对系统工作制的要求 长期连续运行、间歇循环运行、短时间运行
对系统可靠性以及使用寿命的要求 连续运行无故障时间
对系统的使用环境条件的要求 环境温度、湿度、三防（防潮、防腐蚀、防辐 射）、抗振动、抗冲击
对系统结构形式的要求 体积、重量、结构外形、安装特点等
对系统经济性的要求 制造成本、标准化程度、元部件通用性、能源利 用率、维护使用、系统电源条件（电源种类、规 格、容量）
1.2 伺服系统的应用
机械制造 冶金 航天 微电子 军事 运输 通信工程 日常生活
机械制造
– 机床运动部分的位置控制、速度控制、运动轨迹控制 – 仿形机床、机器人手臂关节
冶金
– 电弧炼钢炉、粉末冶金炉的电极位置控制 – 轧钢机轧辊压下运动的位置控制
电极
轧前的 钢板
按控制方式分类
– 开环控制 – 闭环控制 – 复合控制
开环伺服系统
r
G1 ( s )
闭环伺服系统
r
e
G1 ( s )
－
复合控制伺服系统
r
G2 ( s ) c
G2 ( s ) c
B (s)
e G1 ( s ) ＋
－
G2 ( s ) c
1.7 伺服系统的技术要求
伺 服 系 统
图4-1 伺服系统的基本结构
1.2 伺服系统的工作原理
伺服系统是以机械运动为驱动设备，电机为控制对象，以控制器为核心， 以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的 电气传动自动控制系统。这类系统控制电机的转矩、转速和转角，将电 能转换为机械能，实现驱动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服 系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由 电机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通 过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户 所要求的复杂形状的工件。
1.3 伺服系统的类型
一、开伺服系统
数控装置
步进电机
机床工作台
图4-2 开环伺服系统
二、闭环伺服系统
位置比较 速度比较
伺服 电机
速度反馈 位置反馈
图4-3 闭环伺服系统
测量元件
三、半闭环伺服系统
位置比较
速度比较
伺服电机
机床工作台
测速机 旋变
图4-4 半闭环系统
伺服系统
伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械 位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
1.1 伺服系统的结构
从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、 反馈装置和电机，如图4-1所示。控制器按照数控系统的给定值和通过反 馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的 主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电机之上，调节 电机转矩的大小，另一方面按电机的要求把恒压恒频的电网供电转换为 电机所需的交流电或直流电；电机则按供电大小拖动机械运转。
机床数控技术：第6章 数控伺服系统
6.2 伺服电动机
伺服电动机是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： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
32
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
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伺服系统的分类及其工作原理和性能特点分析
伺服系统的分类及其工作原理和性能特点分析2011-12-19 17:16:32| 分类：默认分类|字号大中小订阅伺服系统是输入控制输出的一种自动控制系统，它可以严格的现实输出变量精确地跟随或复现输入变量，一般情况下，它的控制对象为机械位置或角度，现在的工业控制中，很多大的设备设施都需要现实自动控制和精确高精度的控制，这样就导致其得到了十分广泛应用。
一般有三种基本控制方式，即位置、速度、力矩控制方式。
通常位置和速度控制用得比较多。
在伺服系统中，控制电路十分关键，它直接影响到系统的性能品质。
由于上面的分析可以看出，它对于工业控制、自动化、自动控制、工控等领域，使用的频率还是很高的。
下面我们来深入的分析一下什么是伺服系统，伺服系统的分类，并分析各种伺服系统的工作原理和性能及特点比较，通过总结这些基础知识，希望能给大家的学习带来帮助和参考。
伺服系统的分类、原理和特点(1) 按调节理论分类A、开环--即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达。
它的结构简单、易于控制，但缺点是精度差，低速不平稳，扭矩小。
一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。
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。
B、闭环---误差控制随动随动系统。
数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台实际位置的差值。
闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。
由于是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传误差可得到补偿，提高了跟随精度和定位精度。
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。
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。
C、半闭环---半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿。
伺服系统
试卷一一填空题1、对伺服系统的基本要求有：稳定性好、精度高、快速响应并无超调，及低速大转矩和调速范围宽等。
2、相位比较伺服系统的位置检测即为响应的相位检测。
3、伺服系统中，直线位移或大角位移检测常用：感应同步器、光栅、磁尺等。
4、旋转变压器的信号处理有鉴相型和鉴幅型两种方式。
5、在鉴幅型工作方式下，旋转变压器的两相正交定子绕组分别加上相位相等、频率相同而幅值不同（或正交）的励磁电压。
6、步进电机的旋转方向由其绕组的通电顺序所决定，A、B、C、D四相步进电机采用四相双四拍控制方式时，正转相序为： AB-BC-CD-DA ；反转相序为： DC-CB-BA-AD 。
7、永磁无刷直流电机就其基本结构而言，是由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路等三部分组成。
8、目前步进电机环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。
9、ASDA-AB 系列伺服驱动器的操作模式主要有三种：位置模式、速度模式和扭矩模式。
10、伺服系统按驱动元件分类可分为：步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。
11、相位比较伺服系统中，主要采用鉴相器来进行相位的比较，12、交流伺服电机除了电机本体之外，常带有一个编码器来实现运行状态的检测。
13、采用并行控制方式的步进电机控制系统中，常采用编程的方式进行脉冲分配。
二、判断题（每题2分，共10分）（√）14、步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。
（√）15、三相步进电机是靠三相绕组按照一定的相序轮流通电驱动的。
（√）16、交流伺服电机由于结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便，被认为是一种理想的伺服电机，（╳）17、感应同步器只能测线位移，而不能测角位移。
（╳）18、机床的点位控制是不仅实现由一个位置点到另一个位置点的精确移动，而且在移动和定位的过程中仍需要不断加工。
三、选择题（每题2分，共10分）（D）19.下面哪一项不属于用微机控制步进电机主要解决的问题。
伺服系统的基本要求
伺服系统的基本要求一、稳定性伺服系统需要具有良好的稳定性，能够稳定的工作在各种负载条件下。
在负载变化或环境变化的情况下，伺服系统应能够迅速调整控制参数，保持系统的稳定性。
这就要求伺服系统具有高效的反馈控制算法和优良的控制性能。
二、精密度伺服系统需要具有高精度的位置控制能力，能够实现对目标位置的快速、精准的控制。
这对伺服电机、编码器等部件的精度和稳定性提出了较高的要求。
此外，伺服系统还需要具有高分辩率的位置传感器和高精度的控制器。
三、高速度伺服系统需要具有较高的速度控制能力，能够在短时间内快速响应并实现高速度的运动。
对于高速运动的场合，伺服系统需要具有高动态响应和快速的控制算法。
四、可靠性伺服系统需要具有高可靠性，能够在长时间工作的情况下保持稳定的控制性能。
对于工业生产线等关键的应用场合，伺服系统的可靠性要求更高，要能够在极端环境条件下正常工作。
五、灵敏度伺服系统需要具有较高的灵敏度，能够快速、准确地对输入信号做出响应。
在高动态状态下，伺服系统需要具有较好的灵敏度和鲁棒性，能够有效抑制振动和干扰，实现稳定的控制。
六、节能环保伺服系统需要具有较高的能效性能，能够在提高性能的同时减少能源消耗。
对于高功率的伺服系统，需要考虑系统的节能设计和冷却方式，以降低能源消耗和环境排放。
综上所述，伺服系统的基本要求包括稳定性、精密度、高速度、可靠性、灵敏度和节能环保。
在实际的应用中，需要根据具体的需求和环境条件，针对上述要求进行系统设计和参数调整，以满足不同应用场合的需求。
同时，随着科技的发展和市场的需求，伺服系统的要求也会不断提高，新的技术和理念将不断应用到伺服系统中。
因此，伺服系统的基本要求是一个动态变化的概念，需要不断地进行研发和改进。
伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统的分类和基本组成形式伺服系统是一种能够将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的电机系统。
它的主要特点是具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
在自动控制系统中，伺服电机常用作执行元件。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
其中，进给伺服控制对伺服系统的要求更高，而主运动的伺服控制要求相对较低。
因此，数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统的质量。
伺服系统按其驱动元件和控制方式划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。
其中，开环系统主要由驱动电路、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；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，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。
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。
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，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。
半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些，这是由于丝杠和工作台之间传动误差的存在所导致的。
因此，伺服系统的分类和基本组成形式对于机床的性能和精度有着至关重要的影响，需要在实际应用中根据具体需求进行选择和配置。
执行元件在伺服系统中扮演着重要的角色，其作用是将电信号转化为机械位移，以实现控制信号的跟随。
直流宽调速电动机和交流电动机是常用的执行元件，不同的执行元件需要不同的驱动电路。
伺服系统的基本要求及特征
伺服系统的基本要求及特征伺服系统是指由伺服电机、传感器、控制器和执行机构等组成的闭环控制系统。
它能够根据输入信号精确控制执行机构的位置、速度和力矩等参数。
伺服系统广泛应用于机械加工、自动化生产线、航空航天等领域，具有以下基本要求和特征。
一、基本要求1. 高精度控制：伺服系统需要能够实现高精度的位置、速度和力矩控制，以满足不同应用场景的需求。
2. 快速响应：伺服系统具备快速的响应能力，能够在瞬时改变的工况下迅速调整执行机构的运动状态。
3. 稳定性：伺服系统需要具备良好的稳定性，能够在长时间运行的过程中保持稳定的控制性能。
4. 可靠性：伺服系统需要具备高可靠性，能够在恶劣环境下稳定工作，并具备自动故障检测和报警功能。
5. 灵活性：伺服系统应具备灵活的控制方式，能够适应不同的工作模式和工作要求。
6. 易维护性：伺服系统需要具备良好的可维护性，以便及时发现和排除故障，减少停机时间。
二、特征1. 闭环控制：伺服系统采用闭环控制方式，通过不断地测量执行机构的状态和与预设值进行比较，实现对输出信号的精确控制。
2. 反馈控制：伺服系统通过传感器实时采集执行机构的位置、速度和力矩等参数，并将其反馈给控制器，用于控制决策。
3. 高精度传感器：伺服系统中的传感器需要具备高精度的测量能力，以保证控制系统的准确性和稳定性。
4. 高性能控制器：伺服系统的控制器需要具备高性能的运算能力和快速的响应速度，以满足高精度控制的要求。
5. 电流反馈控制：伺服系统中的电机控制通常采用电流反馈控制方式，通过控制电机的电流来实现对执行机构的精确控制。
6. 可编程控制：伺服系统的控制器通常具备可编程功能，能够根据不同的应用需求进行参数设置和控制策略的调整。
7. 多轴同步控制：伺服系统能够实现多个执行机构的同步控制，以满足复杂运动控制的需求。
8. 通信接口：伺服系统通常具备各种通信接口，可以与上位机进行数据交互和远程监控。
9. 自动故障检测和报警：伺服系统能够自动检测执行机构和传感器的故障，并及时发出报警信号，以减少故障对生产过程的影响。
伺服系统
什么叫做伺服系统伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。
使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量（使用在机电系统中的伺服电机的转动惯量较大，为了能够和丝杠等机械部件直接相连。
伺服电机有一种专门的小惯量电机，为了得到极高的响应速度。
但这类电机的过载能力低，当使用在进给伺服系统中时，必须加减速装置。
转动惯量反映了系统的加速度特性，在选择伺服电机时，系统的转动惯量不能大于电机转动惯量的3倍。
）较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。
当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。
该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。
我接触伺服电机的时间只有十来天，下面是我收集的基础的知识，希望对出学者有帮助：问：控制方式中的"位置","速度","转矩"有什么分别？答：位置"、"速度"、"转矩"是伺服系统由外到内的三个闭环控制方式。
位置控制方式有伺服完成所有的三个闭环的控制，计算机只需要发送脉冲串给伺服单元即可，计算机一侧不需要完成PID控制算法；使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制，计算机需要发送模拟量给伺服单元，计算机一侧需要完成PID位置控制算法，然后通过D/A输出；一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。
另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。
扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，上位机的算法也简单，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，是一个模拟量。
多用在单一的扭矩控制场合，比如在印刷机系统中，一个电机用速度或位置控制方式，用来确定印刷位置，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。
伺服系统的基本要求
伺服系统的基本要求
伺服系统是一种精确跟随输入信号并能快速响应的自动控制系统，其基本要求包括：
1. 精度高：伺服系统应具备高定位精度和跟踪精度，能在较短时间内快速响应指令信号，确保输出轴的实际位置、速度和加速度与期望值一致。
2. 快速响应：伺服系统需具备快速动态响应能力，能够在短时间内达到稳定状态，尤其是在负载变化时也能保持稳定的输出。
3. 稳定性好：伺服系统必须在各种工况下都能保持稳定工作，即使在扰动或不确定性条件下也能恢复平衡状态，避免振荡和超调。
4. 动态性能优良：具有宽广的调速范围和足够的过载能力，同时保证低速平稳性和高速时的快速性。
5. 可靠性强：伺服系统应具备较强的抗干扰能力和自我诊断修复功能，确保长期稳定可靠运行。
6. 易于控制与调节：伺服系统应支持灵活方便的控制方式，易于根据应用场景进行参数调整和优化。
伺服系统设计
一、执行元件类型及特点
1. 电气式 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元 件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态 性能好，适合于频繁使用，便于维修等 2．液压式 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、 液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况 下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3．气压式 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液 压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
（1） 步距误差 （2） 最大静转矩 （3） 启动矩频特性
二、伺服电机及其控制
在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转 换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的 大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速 和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺 服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进 电机。
二、伺服系统对执行元件的要求
1. 惯性小、动力大 2．体积小、质量轻 3. 便于计算机控制 4. 成本低、可靠性好、便于安装和维修
三、伺服系统的基本类型
例：数控机床伺服系统，
由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
四、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
数控机床伺服系统的分类及其应用要求
数控机床伺服系统的分类及其应用要求数控机床伺服系统又称为位置随动系统,简称为伺服系统。
数控机床伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构，在许多自动化控制领域广泛应用。
数控机床伺服系统的种类繁多、技术原理各具特色，这对其应用带来很大的困扰，本文就数控机床伺服系统的分类及其应用要求做简单介绍。
一、数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统;按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统;按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。
电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。
1.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。
主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。
对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
2.开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如图5--1所示。
由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。
闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。
若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统;若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。
现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。
开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。
3.直流伺服驱动与交流伺服驱动70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。
直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。
现代交流伺服系统 第1章 伺服系统概述
伺服系统概述
伺服技术的应用遍及各个领域，例如绕地飞行和高空探测的各类卫星， 地面上飞驰的高速列车，在海上游弋的万吨邮轮和舰船，军事上的导弹发 射架的天线驱动，特定环境下完成特殊任务的各类机器人，各种办公室自 动化设备等。
3
1.1 伺服系统的基本概念
内容提要
1.1.1 伺服系统的定义 1.1.2 伺服系统发展回顾 1.1.3 伺服系统的组成
被控 输出 对象
图 1-1 伺服系统的一般结构
9
1.1.3 伺服系统的组成
给定 环节
比较
+环节误差
控制器
给定
输入 -
功率放大 与变换环节
执行 环节
扰 动
被控 输出 对象
Hale Waihona Puke 反馈环节图 1-1 伺服系统的一般结构
10
1.1.3 伺服系统的组成
（6）执行环节（执行机构）：控制信号获得功率放大后，激励被控机
14
1.2.1 稳定性好
稳定性反应了动态过程的振荡倾向和系统重新恢复到平衡状态工作的能力。 如果系统受到扰动后偏离了原工作状态，而控制装置再也不能使系统恢复到原状
态，并且越来越偏离原状态，并且误差越来越大，以至到∞，如图1-2中的过程曲
线③所示。这样的系统就称为不稳定系统。 不稳定系统在一般的情况下完全是由该系统的结构和参数决定，这是系统的
实际系统中都存在集中性或分布性的电感与电容。而电感中的电流、 电容上的电压都是不能跃变的；更何况电机本身与其轴上所驱动的机械 负载装置具有更大的机械惯性、电磁惯性与其串行叠加，更加大了惯性 的作用。在电源所提供的功率强度有限情况下，输出量不可能在瞬间达 到给定信号的期望值；抑制干扰信号也需要一个暂短的抵制与恢复过程， 才能使输出达到或恢复原过程，这一过程，被称为过渡过程或动态过程。
伺服系统是什么_伺服系统的基本要求_伺服系统的基本组成
伺服系统是什么_伺服系统的基本要求_伺服系统的基本组成伺服系统是什么伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。
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），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
伺服系统最初用于国防军工，如火炮的控制，船舰、飞机的自动驾驶，导弹发射等，后来逐渐推广到国民经济的许多部门，如自动机床、无线跟踪控制等。
伺服系统主要作用1、以小功率指令信号去控制大功率负载；2、在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动；3、使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。
伺服系统的分类从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、液压伺服系统和电气-液压伺服系统及电气-电气伺服系统等；从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等；从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统；从系统的结构特点来看，有单回伺服系统、多回伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。
伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、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。
伺服系统的基本要求（1）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到达新的或者回复到原有平衡状态。
（2）精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。
作为精密加工的数。
伺服系统概述
12 伺服系统概述
半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，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。
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器
速度控制单元 +
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈 检测与反馈单 元
电机
12 伺服系统概述
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。
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。
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。
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
输入指令
比较 元件
调节 元件
执行 元件
被控 对象
输出量
测量、反 馈元件
伺服系统期末复习材料
1.伺服系统的定义、概念；伺服系统的基本要求；主要特点，伺服系统分类(按照控制理论，按照反馈方式)它们各有什么特点？；位置速度检测元件(名称)莫尔条纹的特性3种效应。
定义：在自动控制系统中，使输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称为伺服系统。
要求：①稳定性好②精度高③快速响应并无超调④低速大转矩和调速范围宽主要特点：①精确的检测装置②有多种反馈比较原理与方法③高性能伺服电动机④宽调速范围的速度调节系统按控制理论分类：①开环伺服系统（信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来）②闭环伺服系统（若各种参数匹配不当，将会引起系统振荡，造成不稳定，影响定位精度，而且系统复杂和成本高）③半闭环伺服系统（不能补偿位置闭环系统外的传动装置的传动误差，却可以获得稳定的控制特性。
介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到广泛应用。
）按反馈方式分类：①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（适用于感应式检测元件的工作状态，可得到满意的精度。
相位比较伺服系统的载波频率高，响应快，抗干扰性强，因而很适于用做连续控制的伺服系统）③幅值比较伺服系统（幅值大小与机械位移量成正比）④全数字伺服系统（高速度、高精度、大功率）速度检测：①异步（交流）测速发电机②直流测速发电机③光电测速盘位置检测：①感应同步器②光栅莫尔条纹特性的三种效应：①莫尔条纹的移动与栅距成比例②平均效应③放大效应2.晶闸管的伏安特性曲线，以及导通条件和关断条件，维持电流，擎住电流；全控器件写出三种名称（IGBT，GTO，MOSFET）优缺点；导通条件：晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。
关断条件：在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。
欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值(或断开，或反向)。
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伺服系统的基本要求、特点和分类
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。
以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。
数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
一、伺服系统的基本要求和特点
1.对伺服系统的基本要求
（1）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到达新的或者回复到原有平衡状态。
（2）精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。
作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.00lmm之间。
（3）快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。
2、伺服系统的主要特点
（1）精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。
（2）有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。
目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种。
（3）高性能的伺服电动机（简称伺服电机）：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。
要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。
要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。
（4）宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。
数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。
二、伺服系统的分类
伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、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，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型，就是与伺服系统这3种方式相关。
1、开环系统
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。
由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。
执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。
常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。
执行元件是伺服系统中必不可少的一
部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。
最近，我校研制开发出了高性能交流伺服（数控机床）控制系统。
该系统性能稳定，质量可靠，可广泛应用于数码雕刻，包装机械，模具生产等工业生产应用场合，更适用于高等学校机电一体化，电子电器，电气自动化专业学生（研究生）生产实习，课程设计等课程的实验研究。