伺服驱动系统的原理与种类

机电一体化系统设计基础课程教学辅导

第四章：伺服驱动系统的原理与种类

一、教学建议

通过文字教材掌握伺服驱动的基本原理，了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性。

流媒体课件第15讲介绍了机电一体化系统伺服驱动的基本原理、种类及其特性；

在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。

二、教学要求

1．掌握伺服驱动的基本原理

一般来说，伺服系统组成框图如图1所示。

图1 伺服系统组成框图

（1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。

（2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。

（3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。

（4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。

2．了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性

（1）根据使用能量的不同，可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型，特性如表1所示。

表1 伺服驱动系统的特点及优缺点

种类特点优点缺点

电气式可使用普通电源；信号与动力

的传送方向相同；有交流和直

流之别，须注意电压之大小

操作简便；编程容易；能实现定

位伺服；响应快、易与CPU接口；

体积小，动力较大；无污染

瞬时输出功率大，但过载能力差，由于某

种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受

外部噪声影响

气压式空气压力源的压力为（5~7）

×105Pa；要求操作人员技术熟

练

气源方便、成本低；无泄漏污染；

速度快、操作比较简单

功率小，体积大，动作不够平稳；不易小

型化；远距离传输困难；工作噪声大、难

于伺服

液压式要求操作人员技术熟练；液压

源的压力为（20~80）×105Pa

输出功率大，速度快，动作平

稳，可实现定位伺服

设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂

质、温度、测量、质量）严格；易泄漏且

有污染

例1：气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。（）

说明：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，不能在定位精度较高的场合使用。故括号内应填入“×”。

（2）伺服驱动系统按控制原理的不同还可以分为开环、全闭环和半闭环等伺服系统。

①开环伺服系统

如图2所示，若伺服驱动系统中没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。开环伺服系统的精度较低，一般可达到0.01m左右，且速度也有一定的限制，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、速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中得到了广泛应用。

图2 开环伺服系统

②全闭环伺服系统

如图3所示，全闭环伺服系统是由安装在工作台上的位置检测装置，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，将所得的偏差值经过放大，由伺服电机驱动工作台向偏差减小的方向移动，直到偏差值等于零为止，定位精度可以达到亚微米量，是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案。但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，制造成本高。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。

图3 全闭环伺服系统

例2：闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的（ D ）。

A．回程误差不影响输出精度，但传动误差影响输出精度

B．传动误差不影响输出精度，但回程误差影响输出精度

C．回程误差和传动误差都不会影响输出精度

D．回程误差和传动误差都会影响输出精度

说明：丝杠螺母机构位于闭环之后，其误差的高频分量和低频分量都会影响输出精度，因此要尽量消除其传动间隙和传动误差。故括号内应填入“D”。

③半闭环伺服系统

半闭环伺服系统中工作台的位置通过电机上的传感器或是安装在丝杆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。图4所示。由于部分传动链在系统闭环之外，故其定位精度比全闭环的稍差。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，所以结构比较简单，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，系统调试比较容易、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。

图4 半闭环伺服系统