数控伺服系统组成及原理介绍
数控伺服系统组成及原理介绍
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。
数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。
该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。
进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。
一、伺服系统的组成
组成：伺服电机
驱动信号控制转换电路
电子电力驱动放大模块
位置调节单元
速度调节单元
电流调节单元
检测装置
一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。

位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。
严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。

二、对伺服系统的基本要求
1．精度高
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。
2．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，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
3．快速响应
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
4．调速范围宽
调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0～24m / min。
5．低速大转矩
进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
对伺服电机的要求：
（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性
（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。
（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad / s2以上)。
（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。


三、伺服系统的分类
1．按调节理论分类

（1）开环伺服系统
（2）闭环伺服系统
（3）半闭环伺服系统
开环数控系统

没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。
一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。




半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。

半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。
由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。



全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。

从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
2．按使用的执行元件分类

（1）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。
优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。
缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。
（2）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）
优点：操作维护方便，可靠性高。
1）直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响 应好、转速高和容量大。
3．按被控对象分类
（1）进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。
（2）主轴伺服系统只是一个速度控制系统。
4．按反馈比较控制方式分类
（1）脉冲、数字比较伺服系统
（2）相位比较伺服系统
（3）幅值比较伺服系统