伺服驱动系统

第二节　伺服驱动系统

伺服驱动技术是机电一体化技术的一个重要组成部分，是一种实现从控制信号到机械动作的控制转换技术。其功能就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。它对机电一体化系统的动态特性、控制质量和功能具有决定性的影响。

1.“伺服”的起源

“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。所谓“伺服”，顾名思义就是“伺候服侍”的意思，人们想把“伺服机构”当做得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在信号来到之前，转子静止不动;信号来到之后，转子立即转动;当信号消失，转子又能及时自行停转。正是由于它的“伺服”性能，所以得此名——伺服系统。

2.伺服系统的定义

伺服系统是使物体的位置、角度、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)任意变化的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。

3.伺服系统的基本性能要求

伺服系统的驱动与所使用的执行元件有关，常见的执行元件有:直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、液压缸、液压马达、汽缸、气压阀等。由于执行元件是直接的被控对象，为了能按照控制命令的要求准确、迅速、精确、可靠地实现对控制对象的调整与控制，对伺服系统提出如下要求:

(1)高可靠性执行元件直接面对被控对象，一般所处的环境恶劣，其工作的可靠性，关系到机电一体化产品及装置的工作性能，它是执行元件的首要指标。

(2)良好的动态性执行元件在接受控制命令后要有快速的反应，要在很短的时间内动作。例如。漏电保护开关的执行机构必须在几十毫秒内切断电源。

(3)动作的准确性从控制角度来看，机电一体化产品的工作精度除了要有良好的控制校正技术外，还依赖于执行元件动作的准确性。

(4)高效率执行元件必须具有高效率。在伺服系统的执行元件当中，广泛使用的是伺服电动机，其作用是把电信号转换为机械运动。伺服电动机技术性能直接影响着伺服系统的动态特性、运动精度、调速性能等。

4.伺服系统的基本结构形式

伺服系统的结构类型很多，组成和工作情况也各不相同。按照系统执行元件的性质不同，伺服系统可分为电气伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。其中电气伺服系统又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。按照系统的控制方式，可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统。开环伺服系统无检测反馈环节，结构简单，调试、维护方便，成本低，但精度低，抗干扰能力差，一般用于精度、速度要求不高的机电一体化系统。闭环伺服系统由于采用了反馈控制原理，直接检测被控对象，因而具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点，但系统结构复杂、成本高，用于高精度、高速度的机电一体化系统。半闭环伺服系统也采用了反馈控制原理，但间接检测的是伺服装置(如伺服电动机)，所以系统结构相对简单，成本低，精度较高，用于精度较高的机电一体化系统中。

闭环控制系统主要由控制器、功率放大器、执行机构和检测装置四个部分组成，如图5-2所示。控制器根据输入信号和反馈信号比较的结果，决定控制的方式。常用的控制有PID控制和最优控制等。

图5-2　伺服系统的基本组成

功率放大器将控制器输出的微弱信号放大后，驱动执行机构动作。而执行机构直接与被控对象打交道，最终执行控制器的指令，完成某种特定的动作。执行机构主要由各种执行元件和机械传动装置等组成。为了提高工作精度和抗干扰能力，伺服系统一般采用检测装置将执行机构的输出信号反馈到伺服系统输入端，实现反馈控制。反馈信号一般为位置反馈信号、速度反馈信号和电流反馈信号等，要经多种传感元件进行检测。

5.伺服系统的执行元件

各种机电一体化产品和装置都是为完成某一任务或达到某种特定目的而制造的。但直接参与调节以及完成动作指令的是执行元件，因此，要求执行元件能够按控制器的指令准确、迅速、精确、可靠地实现对被控对象的调整和控制。执行元件的种类繁多，通常按驱动执行元件工作的能源形式分为三种:电动式、液压式和气动式。

(1)电动执行元件电动执行元件以电能作为动力，并把电能转变成位移或转角形式的机械能，以实现对被控对象的调整和控制。电动执行元件主要以电动机为主，具有高精度、高速度、高可靠性、易于控制等特点。常见的有直流伺服电动机、交流伺服电动机(图5-3)、步进电动机等。一般来说，电动机虽然能把电能转换为机械能，但电动机本身缺少控制能力，需要电力变换控制装置的支持。随着电子技术的快速发展，电动执行元件的性能有了显著提高，从而使电动执行元件有着非常广泛的应用。

图5-3　交流伺服电动机

(2)液压执行元件液压执行元件是将高压液体的能量转换为机械能，拖动负载实现直线或回转运动。做功介质可以用水，但大多用液压油。常见的执行元件有液压缸、液压马达等。液压执行元件具有工作平稳、冲击振动小、无级调速范围大、输出力或扭矩大、过载能力强、结构简单等优点。但液压执行元件存在下述缺点:需要精心维护管理;噪声大;远距离操作受到限制;由于漏油可能污染环境;性能随油温的变化而变化。

(3)气动执行元件气动执行元件是把压缩气体的能量转换成机械能，拖动负载完成对被控对象的控制。做功介质可以是空气，也可以用惰性气体。气动执行元件结构简单、工作可靠、维护方便、成本低。但由于是用气体作介质，所以可压缩性大、精度较差、传输速度低。气动执行元件在机电一体化技术中一般与电动调节仪表、电动单元组合仪表相配合，用于电站、化工、轻工、纺织等领域。