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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