第3章　伺服系统设计

3.1　伺服系统

伺服系统也叫随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力矩输出的自动控制系统。

大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统，按照反馈控制理论，伺服系统需不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，与指令值进行比较，并用两者的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。伺服系统是根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的。因此伺服系统的工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。许多机电一体化产品（如数控机床、工业机器人等），需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系统是智能装备的一个重要组成部分，而且往往是实现某些产品目的功能的主体。伺服系统中离不开机械和电子技术的综合运用，其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，伺服系统本身也就是一个典型的机电一体化系统。

伺服系统的种类如表22-3-1所示，伺服系统的构成如表22-3-2所示。

3.2　伺服系统的基本要求和设计方法

3.2.1　伺服系统的基本要求

由于伺服系统所服务的对象千差万别，因而对伺服系统的要求也有差别。工程上对伺服系统的技术要求很具体，归纳如表22-3-3所示。

3.2.2　伺服系统的设计步骤

伺服系统设计通常从选择执行电机开始。作为伺服系统的执行元件，应能方便地实现连续且平滑的可逆调速，对控制信号反应快捷，才能保证整个系统带动被控对象按所需要的规律运动。伺服系统的具体设计步骤见表22-3-4。

3.3　伺服系统执行元件及其控制

3.3.1　执行元件种类和特点

执行元件亦称为驱动元件，是各类工业机器人、数控机床、自动化机械、计算机外设、车辆电子设备、医疗器械等机电一体化系统或产品必不可少的驱动部件，如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等都用到驱动部件。该元件是处于智能装备系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点部位的能量转换元件，能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。

根据使用能量的不同，可以将驱动元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。电气式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。

3.3.2　电气执行元件

3.3.2.1　直流伺服电机及其驱动

3.3.2.2　交流伺服电机及其驱动

3.3.2.3　松下MINAS A5 伺服电机

MINAS A5II/A5型号说明：

MINAS A5AC伺服电机型号说明：

3.3.2.4　步进电机及其驱动

（1）步进电机分类与基本概念

由步进电机原理得知，步进电机转子的转角与输入的脉冲数成比例，转速则与输入脉冲频率成正比，是脉冲信号控制，在负载能力范围内不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，开环控制即可达到目的，因而使控制系统简化。在办公自动化中和工厂自动化中得到了广泛的应用，是数字控制系统中的一种执行元件。

（2）步进电机驱动与选择

选择步进电机，必须根据负载的特性，例如，最大负载力矩、最大启动力矩、最大速度、最大加速度等，根据步进电动机的特性，综合考虑，进行选择。其中主要考虑步距角（涉及到相数）、静转矩及电流三大要素。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

3.3.3　液压执行机构

液压执行装置将液体压力能转换为机械能，带动负载实现直线或回转运动。液压执行装置多数用液压油作为传递动力的介质。液压系统由液压泵、减压阀、管路、控制阀、执行装置等组成。

液压泵将电动机或发动机驱动的旋转机械能转变为流体能。减压阀用于将液压泵的出口压力保持为一定的压力值。管路相当于电气系统的导线，用于传递流体能和流体信号。因为控制阀用于控制液压油的流量、压力和流动方向的，所以分别称为流量控制阀、压力控制阀、换向阀等。执行装置是将流体能再转变为机械能的装置，由它产生位移、速度和力等机械量。

液压执行装置主要包括直线运动的液压油缸、回转液压油缸、液压马达和可以在280°范围内转动的摆动油缸。液压执行装置具有承载能力强、工作平稳、输出转矩大、控制流量实现无级调速、电液联合易实现自动化等优点，在光机电一体化系统中得到广泛应用。

3.3.4　气动执行装置

气动执行装置除了用压缩空气作为工作介质外，其他与液压执行装置类似。气动马达和气缸是典型的气动执行装置。气动执行装置本质上与液压执行装置相同，但因为空气的可压缩性及油的润滑性，二者有一些细微的差别。气动执行装置结构简单、安全可靠、价格便宜。由于空气的可压缩性，而精度较差、可控性较差，不能应用在高精度的场合。

由于空气的可压缩性，使得气缸的特性与液压油缸的特性有所不同。因为空气的温度和压力变化时将导致密度的变化，所以采用质量流量比体积流量更方便。

典型的气动马达有叶片马达和径向活塞马达，其工作原理与液压马达相同。气动机械的噪声较大，有时要安装消声器。叶片气动马达的优点是转速高、体积小、质量轻，其缺点是启动力矩较高。这种气动马达的转速可以达到25000r/min，在气动工具中应用较多。径向活塞马达的优点是输出功率大、启动转矩高，其缺点是结构复杂体积大。

3.3.5　新型执行装置

3.3.6　电液伺服阀

3.3.7　电液比例阀

电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。对应于普通的液压阀都能够找到一种与之对应的电液比例阀。电液比例阀可以用于开环系统中实现随液压参数的遥控，也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。

电液比例阀是电液比例控制技术的核心元件，它按照输入电信号指令，连续成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。

电液比例阀与伺服控制系统中的伺服阀相比，在某些方面还有一定的性能差距，其主要性能比较，如表22-3-18所示。但它显著的优点是抗污染能力强，大大地减少了因污染所造成的工作故障。提高了液压系统的工作稳定性和可靠性。另一方面比例阀的成本比伺服阀低，结构也简单，已在许多场合获得广泛应用。

电液比例阀包括比例流量阀、比例压力阀、比例换向阀。根据工程机械液压操作的特点，以结构形式划分电液比例阀主要有两类：一类是螺旋插装式比例阀，另一类是滑阀式比例阀。

螺旋插装式比例阀是通过螺纹将电磁比例插装件固定在油路集成块上的元件，螺旋插装阀具有应用灵活、节省管路和成本低廉等特点。常用的螺旋插装式比例阀有二通、三通、四通和多通等形式，二通式比例阀主要是比例节流阀，它常与其他元件一起构成复合阀，对流量、压力进行控制；三通式比例阀主要是比例减压阀，也是移动式机械液压系统中应用较多的比例阀，它主要是对液动操作多路阀的先导油路进行操作。四通或多通的螺旋插装式比例阀可以对工作装置实现单独的控制。

滑阀式比例阀又称分配阀，是移动式机械液压系统最基本的元件之一，是能实现方向与流量调节的复合阀。电液滑阀式比例多路阀是比较理想的电液转换控制元件，它不仅保留了手动多路阀的基本功能，还增加了位置电反馈的比例伺服操作和负载传感等先进的控制手段。

3.3.8　电液数字阀

用数字信息直接控制阀口的开启和关闭。实现液流压力、流量、方向控制的液压控制阀，称为电液数字阀，简称数字阀。数字阀可直接与计算机接口，不需要D/A转换器。与伺服阀、比例阀相比，具有结构简单、工艺性好、价格低廉、抗污染能力强、工作稳定可靠、功耗小等优点。在微机实时控制的电液系统中，数字阀已部分取代了比例阀或伺服阀，为计算机在液压领域的应用开拓了一个新的途径。

数字阀主要有两种类型：一是采用步进电动机作D/A转换器，用增量方式进行控制的数字阀；二是采用脉宽调制原理控制的高速开关型数字阀，如表22-3-19所示。增量式数字阀使用较成熟，应用较广泛，国内外已有系列产品。脉宽调制式数字阀应用了脉宽调制式数字阀和比例伺服阀构成液压容错控制。使电液随动系统具有较高的可靠性。

3.4　执行电机的选择及设计

在伺服系统应用的许多场合，要想改换别种类型的执行电机，常会遇到机械结构、体积重量、使用环境条件、电源配备的种类等方面的限制，使设计难以实现。可用作执行元件的电机种类很多，从大的类别看：有直流伺服电机（他激的或永磁的）、直流力矩电机、直流无刷电机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电动机、同步电动机、各种步进电机等。由于它们调速方法不同，所需电源种类不同、驱动它们运转的功率放大装置更是多种多样，因而它们的力学特性、调速特性、过载能力、线路的复杂程度、驱动功率的大小，以及构成系统的总成本，都各不相同，需要认真地具体分析比较来确定。选择执行电机不能只停留在确定电机的类别及其控制方式上，还必须确定具体型号与规格，需要做定量的核算。为此，要根据被控对象的运动形式（旋转或直线运动），运动的变化规律，运动负载的性质和具体数量，运行工作体制（是长期连续运行或短时运行或间歇式运行），结合系统的稳态性能指标要求，作定量的分析。伺服系统带动被控对象运动，常常很难用简单的数学表达式描述，为便于工程设计计算，需作合理的简化。

3.4.1　交流电动机调速方式

三相异步电动机转速公式为：

从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可改变转速。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。各种电动机调速的方法和特点如表22-3-20所示。

3.4.2　交流变频调速器

3.5　开环控制伺服系统及其设计

伺服系统设计一般分为伺服系统的动力学方法和控制论方法。伺服系统的动力学方法是在机械设计的基础上进行的，主要任务是确定伺服电机的型号以及电机与机械系统的参数匹配，不需要计算控制电路参数和控制系统的动态、稳态性能参数，因此这种设计方法通常称为静态设计。伺服系统的控制理论方法是在经典的控制理论和现代控制理论的方法指导下，确定伺服系统工程各个环节的参数，使机电参数得到合理匹配，保证伺服系统具有良好的稳态、动态性能。开环控制系统结构简单、稳定性好、成本低，在精度要求不高、负载不大的场合得到广泛的应用。

伺服系统的机械系统设计和控制系统设计应在系统论指导下有机进行（见表22-3-22）。机械系统设计的好坏，直接关系到控制系统的复杂程度和性能。因此应该重视机械系统的设计和计算。机械设计与计算主要包括确定执行机构的参数、机械传动比、转动惯量、负载力矩以及电机型号等。开环控制伺服系统设计实例如表22-3-23所示。

3.6　闭环伺服系统设计

闭环系统是负反馈控制系统，检测元件将执行部件的位移、转角、速度等量变换成电信号，反馈到系统的输入端并与指令进行比较，得出误差信号的大小，然后按照减小误差大小的方向控制驱动电路，直到误差减小到零，反馈检测元件一般精度比较高，系统传动链的误差、闭环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了系统的跟随精度和定位精度。

闭环伺服系统适合于高精度或大负载的系统，系统的设计比开环伺服系统复杂得多。但设计步骤却与开环伺服系统设计类似。

对于伺服元件的选型，闭环伺服系统和开环伺服系统传动部件的设计和选型基本类似，这里仅讨论闭环伺服系统的执行元件和检测元件的选型。

（1）执行元件的选型

闭环伺服系统广泛采用的执行元件通常有交、直流伺服电机、液压伺服马达。在负载较大的大型伺服系统中常采用液压伺服马达；在中、小型伺服系统中，则多采用交、直流伺服电机。20世纪90年代以前，直流伺服电机一直是闭环系统中执行元件的主流。直流伺服电机通常有永磁直流伺服电机、无槽电枢直流伺服电机、空心杯电枢直流伺服电机。一般直流伺服系统选用永磁直流伺服电机；需要快速动作、功率较大的伺服系统选用无槽电枢直流伺服电机；需要快速动作的伺服系统选用空心杯电枢直流伺服电机。

近年来，交流伺服技术得到迅速发展。交流伺服电机不仅具有直流伺服电机的优良静、动态性能，并且交流伺服电机具有无电刷磨损、维修方便、价格较低等优点，交流伺服电机在大、中型功率的伺服系统中有逐步取代直流伺服电机的趋势。闭环伺服系统的静动态设计见表22-3-24。交流伺服电机分同步型交流伺服电机和异步型交流伺服电机两种。同步型交流伺服电机常用于位置伺服系统，如数控机床进给系统、机器人关节伺服系统及其他机电一体化产品的运动控制，包括点位控制和连续轨迹控制。常见的功率范围是数十瓦到数千瓦，个别的达到数十千瓦，异步型伺服电机主要用于需要以恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中，如数控机床的主轴系统驱动，常见的功率范围是数千瓦以上。

（2）检测元件的选型

闭环伺服系统通常是位置环、速度环、电流环三环联合的反馈系统。因此，选择检测元件就是选择位置传感器和速度传感器，如表22-3-25所示。

3.7　数字伺服系统的设计

随着技术的迅速发展，微型计算机尤其是单片微型计算机的体积变小了，重量减轻了，可靠性增强了，价格低廉了，在伺服系统中取代了大量的模拟和数字电路，增强了伺服系统的通用性和灵活性，促进了伺服系统向数字化方向发展。

根据输入信号的输入方式不同，数字伺服系统主要有两大类：一类是脉冲列输入控制的数字伺服系统；另一类是数值指令输入方式的数字伺服系统。这两类系统除输入方式不同外，控制上也不相同。设计数字伺服系统时可以根据系统的性能要求和控制环境，选择其中的某一种进行设计。