各种不同伺服系统工作原理及结构分析--专家论坛.doc

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各种不同伺服系统工作原理及结构分析--专家论坛

 什么是伺服系统？它是通过我们对系统设计一些控制命令让它按照这种步骤来执行，目的是为了使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化，最终的结果体现在驱动装置输出的力矩、速度和位置控制可以按照事先预想的结构。
　　我们知道，它有很多不同的种类，各种伺服系统工作原理有相同的地方也有不同的地方，下面我们来先总的说一些伺服系统工作原理，再具体的分析各种不同的系统的运行和工作原理（伺服系统的种类），让大家更好的掌握这门知识。
　　一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成：电源单元;功率逆变和保护单元;检测器单元;数字控制器单元;接口单元。其工作原理就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制，加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多，它是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。

　　下面我们来说一下它的具体的不同类型的原理及其典型应用。
　　(1) 步进式伺服驱动系统
　　由步进电机驱动控制线路和步进电机两部分组成，驱动控制线路接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号，并把此信号转换为控制步进电机各相定子绕组依此通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠再带动工作台移动。
　　其工作原理简单的描述是：在开环步进式伺服系统中，输入的进给脉冲的数量、频率、方向，经驱动控制线路和步进电机，转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，从而实现对位移的控制。

　　(2) 液压伺服系统
　　目前以高压液体作为驱动源的伺服系统在各行各业应用十分的广泛，液压伺服控制具有以下优点：易于实现直线运动的速度位移及力控制，驱动力、力矩和功率大，尺寸小重量轻，加速性能好，响应速度快，控制精度高，稳定性容易保证等。
　　它的工作原理就是简单的说就是流体动力的反馈控制。即利用反馈连接得到偏差信号，再利用偏差信号去控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符。原理图及结构图如下：

　　(3) 交流伺服控制系统
　　到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
　　其工作流程如下：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度，精度决定于编码器的精度。
　　它借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节。与变频器一样，也是将工频交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的交流电，波形类似于正余弦的脉动电。在驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，主要的一点可以进行精确的位置控制。

　　(4) 鉴幅式伺服系统
　　该系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、驱动环节和执行元件五部分组成。它与鉴相式伺服系统的主要区别有两点：一是它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，因此，可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和和感应同步器;二是比较器所比较的是数字脉冲量，而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号。其工作原理分析如下：
　　进入比较器的信号有两路：一路来自数控装置插补器或插补软件的进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移;另一路来自测量元件及信号处理线路，也是以数字脉冲形式出现，它代表了工作台实际移动的距离。
　　鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零。这时，执行元件不能带动工作台移动。出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时，以鉴幅式工作的测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。
　　若两者相等，比较器的输出为零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动;若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。

　　总结
　　文章先总结出一般伺服系统工作原理并对其结构图简单分析，并结合步进式、液压式、交流伺服和鉴幅式这四大伺服系统工作原理及结构图进一步来说明和分析，了解不同产品的原理和性能以及工作特性，才能更好的应用和使用这些设备到我们的自动控制系统当中。
　　现在的工业设备，如机床、电机、阀门等设备，都需要精确的控制他们的位置、角度、速度等，通过使用这种设备，可以很好的解决这一方面的难题，并随着伺服技术和传动技术的发展，将会达到新的高度和空前的应用前景。作为工业控制领域的工程师，多学习相关的原理和技术知识对以后的职业发展是很好的。

参考资料：
容济摩托车点火器 

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