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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。

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（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。

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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