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      伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類及發(fā)展方向

      2013年08月07日 09:17:46人氣:2722來源:

        工控摘要:伺服電機(jī)(servomotor)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī),是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確,可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制,并能快速反應(yīng),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性,可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類,其主要特點(diǎn)是,當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。
        
        數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號(hào),驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng),并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確,這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進(jìn)給伺服控制,另外還有對(duì)主運(yùn)動(dòng)的伺服控制,不過控制要求不如前者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。
        
        一、伺服系統(tǒng)的基本要求和特點(diǎn)
        
        1.對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求
        
       ?。?)穩(wěn)定性好:穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下,能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達(dá)新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)。
        
       ?。?)精度高:伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的程度。作為精密加工的數(shù)控機(jī)床,要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高,允許的偏差一般都在0.01~0.00lmm之間。
        
       ?。?)快速響應(yīng)性好:快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一,即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快,一方面要求過渡過程時(shí)間短,一般在200ms以內(nèi),甚至小于幾十毫秒;另一方面,為滿足超調(diào)要求,要求過渡過程的前沿陡,即上升率要大。
        
        2、伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
        
       ?。?)的檢測(cè)裝置:以組成速度和位置閉環(huán)控制。
        
       ?。?)有多種反饋比較原理與方法:根據(jù)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同,伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。
        
       ?。?)高性能的伺服電動(dòng)機(jī)(簡稱伺服電機(jī)):用于和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床,伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過程中。要求電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大,以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。
        
       ?。?)寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng),即速度伺服系統(tǒng):從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看,數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng),其內(nèi)部的實(shí)際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后,再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī),實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高,因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。
        
        二、伺服系統(tǒng)的分類
        
        伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分,有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)(簡稱直流電機(jī))伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)(簡稱交流電機(jī))伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分,有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等,實(shí)際上數(shù)控系統(tǒng)也分成開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)3種類型,就是與伺服系統(tǒng)這3種方式相關(guān)。
        
        1、開環(huán)系統(tǒng)
        
        開環(huán)系統(tǒng),它主要由驅(qū)動(dòng)電路,執(zhí)行元件和機(jī)床3大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī),通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺服系統(tǒng),在這種系統(tǒng)中,如果是大功率驅(qū)動(dòng)時(shí),用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的信號(hào)。
        
        2、閉環(huán)系統(tǒng)
        
        閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)床5部分組成。其構(gòu)成框圖如圖2所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中,檢測(cè)元件將機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng);把安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在,半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。
        
        比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較,兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路,控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng),直到跟隨誤差為零。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反饋檢測(cè)方式,閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)3種。
        
        由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)比較微弱,不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件,故需對(duì)其進(jìn)行放大,驅(qū)動(dòng)電路正是為此而設(shè)置的。
        
        執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào),即來自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號(hào),將表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中*的一部分,驅(qū)動(dòng)電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。
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