伺服系统的三种基本组成形式

信息来源:MOTEC直流伺服电机代理商-深圳兴弘泰自动化

模拟式、混合式、数字式。模拟式和混合式的输入部分是模拟输入，区别在于混合式伺服系统的输入经过数字偏差器后进入模拟调节器。这三种方式的伺服系统都有位置反馈和速度反馈。
目前的伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分。与数控装置相配合，伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位移速度，定位精度和加工精度。现在，直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代；伺服电机的位置，速度及电流环都实现了数字化；并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统。
其主要新发展的技术有：
a．前馈控制技术。过去的伺服系统，是把检测器信号与位置指令的差值乘以位置环增益作为速度指令。这种控制方式总是存在着跟踪滞后误差，这使得在加工拐角及圆弧时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样使伺服系统的跟踪滞后误差大大减小。
b．机械静止摩擦的非线性控制技术。对于一些具有较大静止摩擦的数控机床，新型数字伺服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性控制功能。
c．伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用软件控制，如数字调解和矢量控制等。为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度要术，预先调整加、减速性能。
d．采用高分辨的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内有微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高，增量位置检测为10000 p/r（脉冲数/每转）以上；绝对位置检测为1000000 p/r以上。
e．补偿技术得到了发展和应用。现代数控系统都具有补偿功能，可以对伺服系统进行多种补偿，如丝杠螺距误差补偿，齿侧间隙补偿、轴向运动误差补偿、空间误差补偿和热变形补偿等。
另外，伺服电机和步进电机在数控系统中都有应用，这里介绍一下二者的区别：
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中，特别在运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然在控制方式上两者相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异：
1．控制精度不同：两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。而交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证，以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
2．低频特性不同：步进电机在低速时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。而交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
3．矩频特性不同：步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
4．过载能力不同：步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
5．运行性能不同：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
6．速度响应性能不同：步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

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