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1、参考资料：http:/ 着 现 代 科 学 技 术 的 飞 速 发 展 ， 特 别 是 微 电 子 、 计 算 机 、 电 力 半 导 体 和 电 机 制 造 技 术 取 得的 巨 大 技 术 进 步 ， 使 得 位 置 伺 服 这 样 一 种 扮 演 重 要 支 柱 技 术 角 色 的 自 动 控 制 系 统 ， 在 许 多 高 科技 领 域 得 到 了 非 常 广 泛 的 应 用 ， 如 激 光 加 工 、 机 器 人 、 数 控 机 床 、 大 规 模 集 成 电 路 制 造 、 办 公 自动 化 设 备 、 雷 达 和 各 种 军 用 武 器 随 动 系 统 、 以 及 柔 性 制 造
2、 系 统 (FMSFlexibleManufacturing Systetn） 等 等 。 它 的 控 制 性 能 ， 对 这 些 高 科 技 的 发 展 正 起 着 越 来 越 关 键 的 作 用 。 位 置 伺 服 系 统 是 一 种 与 普 通 电 动 机 调 速 系 统 有 着 紧 密 联 系 但 又 有 明 显 不 同 的 系 统 。 一 般说 来 ， 人 们 对 调 速 系 统 的 要 求 是 希 望 有 足 够 的 调 速 范 围 、 稳 速 精 度 和 快 且 平 稳 的 启 、 制 动 性 能 。系 统 工 作 时 ， 都 是 以 一 定 的 速 度 精 度 、 稳 定 在
3、调 速 范 围 内 某 一 固 定 的 转 速 上 运 行 的 ， 系 统 的 主要 控 制 目 标 ， 是 使 转 速 尽 量 不 受 负 载 变 化 、 电 源 电 压 波 动 及 环 境 温 度 变 化 等 千 扰 因 素 的 影 响 。而 位 置 何 服 系 统 ， 一 般 是 以 足 够 的 位 置 控 制 精 度 (定 位 精 度 )、 位 置 跟 踪 精 度 (位 置 跟 踪 误 差 )和足 够 快 的 跟 踪 速 度 来 作 为 它 的 主 要 控 制 目 标 。 系 统 运 行 时 要 求 能 以 一 定 的 精 度 随 时 跟 踪 指 令的 变 化 ，因 而 系 统 中 伺
4、 服 电 动 机 的 运 行 速 度 常 常 是 不 断 变 化 的服 系 统 在 跟 踪 性 能 方 面 的要 求 一 般 要 比 普 通 调 速 系 统 高 且 严 格 得 多 。伺 服 (servo)这 一 术 语 ， 源 于 拉 丁 语 ， ervus， 是 “奴 隶(slave） 或 奴 仆 (servant 的 意 思 。 它含 有 使 机 械 像 奴 隶 一 样 忠 实 地 按 照 命 令 动 作 的 意 义 。 因 而 ， “以 物 体 的 位 置 、 方 位 、 姿 势 等 作 为被 控 量 ， 使 之 能 跟 踪 目 标 值 任 意 变 化 的 控 制 系 统 ”被 定 义
5、 为 位 置 伺 服 系 统 (JIS日 本 工 业 标准 定 义 )。一 个 位 置 伺 服 系 统 ， 仅 当 它 的 指 令 形 式 呈 斜 坡 亩 数 形 式 ， 即 每 单 位 时 间 移 动 的 距 离 或 转 过的 角 度 相 等 时 ， 其 运 行 与 控 制 特 性 才 与 一 个 普 通 调 速 系 统 相 似 。从 广 义 上 讲 ， 位 置 伺 服 系 统 包 括 机 械 执 行 机 构 和 电 气 自 动 控 制 两 大 组 成 部 分 。 例 如 ， 一 个数 控 机 床 的 进 给 驱 动 位 置 伺 服 系 统 ， 它 的 机 械 执 行 机 构 常 包 括 工
6、 作 台 (或 刀 架 )、 滚 珠 丝 杠 、 导轨 和 减 速 齿 轮 等 等 ;电 气 自 动 控 制 部 分 则 包 括 交 流 或 直 流 伺 服 电 动 机 、 驱 动 功 率 放 大 器 、 反 馈检 测 传 感 器 和 控 制 调 节 器 等 等 。 根 据 应 用 场 合 和 对 控 制 性 能 要 求 的 不 同 ， 位 置 伺 服 系 统 具 有 多种 不 同 的 结 构 形 式 。 按 照 系 统 的 构 造 特 点 ， 大 体 上 可 以 将 其 分 为 四 种 基 本 结 构 类 型 。 下 面 ，以数 控 机 床 中 常 用 的 迸 给 驱 动 位 置 伺 服 系
7、 统 为 例 ， 来 说 明 这 四 种 基 本 结 构 形 式 的 特 点 和 一 般 构成 方 法 。一 、 开 环 位 置 伺 服 系 统开 环 位 置 伺 服 系 统 是 一 种 没 有 位 置 反 馈 的 位 置 控 制 系 统 口 它 的 伺 服 机 构 按 照 指 令 装 置 发.来 的 位 置 移 动 指 令 ， 驱 动 机 械 作 相 应 的 运 动 ， 但 并 不 对 机 械 的 实 际 位 移 量 或 转 角 进 行 检 测 ， 从而 也 无 法 将 其 与 指 令 值 进 行 比 较 。 它 的 位 置 控 制 精 度 只 能 靠 伺 服 机 构 木 身 的 传 动 精
8、 度 来 保 保 护 。早 期 简 易 型 数 控 机 床 的 j 注 给 驱 动 位 置 伺 服 系 统 。 常 又 用 步 进 电 机 为 主 要 部 件 的 开 环 位 置参考资料：http:/ 服 系 统 ， 结 构 如 图 -1 所 示 。 步 进 电 机 实 质 上 是 一 种 同 步 电 动 机 ， 行 当 数 控 装 置 向 步 进 电 机发 出 一 个 进 给 脉 冲 指 令 的 时 候 ， 步 进 电 机 的 转 子 就 在 此 脉 冲 所 产 生 的 同 步 转 矩 作 用 一 卜 旋 转 一个 固 定 的 角 度 ， 通 常 称 之 为 步 距 角 ， 因 此 它 是
9、一 种 将 电 脉 冲 变 为 角 位 移 或 线 位 移 的 电 磁 装 置 。其 特 点 是 定 位 精 度 高 ， 但 转 换 速 度 不 快 ， 约 在 毫 秒 数 量 级 。 步 进 电 机 步 跄 角 的 大 小 与 它 的 结 构和 控 制 方 式 有 关 ， 最 常 用 的 一 般 为 1.5“。 步 进 电 机 再 经 过 减 速 齿 轮 带 动 丝 杠 旋 转 ， 通 过 丝 杠 、螺 母 的 相 对 转 动 ， 最 后 形 成 机 床 工 作 台 的 运 动 。 这 样 ， 工 作 台 的 位 移 量 将 与 进 给 指 令 脉 冲 的 数量 成 正 比 ， 而 工 作
10、台 移 动 的 速 度 将 与 进 给 指 令 脉 冲 的 频 率 ， 即 单 位 时 间 的 脉 冲 量 成 正 比 。 显 然 ，这 种 开 环 位 置 伺 服 系 统 的 位 置 控 制 精 度 完 全 依 赖 于 步 进 电 机 的 步 距 角 精 度 和 齿 轮 、 丝 杠 等 传动 部 件 的 精 度 。 若 传 动 链 存 在 误 差 ， 系 统 是 无 法 随 时 进 行 修 正 的 。 加 上 受 步 进 电 机 本 身 力 矩 频率 特 性 的 制 约 ， 系 统 的 进 给 移 动 速 度 不 能 很 高 ， 所 以 这 种 开 环 位 置 伺 服 系 统 仅 适 用 于
11、 那 些 对 位置 控 制 精 度 要 求 不 高 、 位 移 速 度 较 低 的 简 易 型 数 控 系 统 。 它 的 位 置 控 制 精 度 一 般 在 0.11mm 左右 。 但 由 于 它 结 构 简 单 ， 造 价 低 、 调 试 容 易 ， 所 以 仍 被 广 泛 用 于 各 种 低 档 的 位 置 控 制 系 统 。 开环 位 置 伺 服 系 统 是 最 早 被 采 用 的 伺 服 系 统 ， 其 系 统 组 成 与 工 作 原 理 在 许 多 教 材 和 专 著 中 均 有详 尽 的 描 述 ， 此 处 不 再 详 述 。二 、 半 闭 环 位 置 伺 服 系 统 与 开 环
12、 位 置 伺 服 系 统 不 同 ， 半 闭 环 位 置 伺 服 系 统 是 具 有 位 置 检 测 和 反 控 制 系 统。它 的 位 置 检 测 器 与 伺 服 电 动 机 同 轴 相 连 ， 可 通 过 它 直 接 测 .出 电 动 机 轴 旋 转 的 角 位 移 ， 进 而 推 知当 前 执 行 机 械 如 机 床 工 作 台 )的 实 际 位 置 。 由 于 位 置 检 侧 器 不 是 直 接 装 在 执 行 机 械 上 ， 位 置 闭环 只 能 控 制 到 电 机 轴 为 止 ， 所 以 被 称 之 为 半 闭 环 ， 它 只 能 间 接 地 检 知 当 前 的 位 置 信 息 ，
13、 且 也 难以 随 时 修 正 、 消 除 因 电 动 机 轴 后 传 动 链 误 差 引 起 的 位 置 误 差 。 数 控 机 床 进 给 驱 动 最 常 用 的 半 闭环 位 置 伺 服 系 统 如 图 1-2 所 示 。 半 闭 环 位 置 伺 服 系 统 中 一 般 采 用 伺 服 电 动 机 (交 流 伺 服 电 动 机或 直 流 伺 服 电 动 机 )作 执 行 电 动 机 ， 与 普 通 电 动 机 相 比 、 它 具 有 调 速 范 围 宽 和 短 时 输 出 .力 矩大的 特 .点 。 这 样 ， 系 统 设 计 时 不 必 再 为 保 证 低 速 性 能 和 增 大 力
14、矩 而 添 置 减 速 齿 轮 ， 而 可 将 电 动 机轴 与 丝 杆 (一 般 采 用 滚 珠 丝 杆 )直 接 连 接 ， 使 传 动 链 误 差 和 非 线 性 误 差 (齿 轮 间 隙 )大 大 减 小 ， 在机 床 导 轨 几 何 精 度 和 润 滑 良 好 时 。 一 般 可 以 达 到 微 米 数 量 级 的 位 置 控 制 精 度 。 另 外 ， 系 统 还 可以 采 用 节 距 误 差 补 偿 和 问 隙 补 偿 的 方 法 来 提 高 控 制 精 度 。1-2所 谓 节 距 误 差 补 偿 f.又 称 螺 趾 误 差 补 偿 )是 按 照 滚 珠 伙 杠 的 每 一 个
15、节 距 ， 预 先 把， 卜 闭 环 间参考资料：http:/ 测 量 结 果 与 机 械 实 际 位 移 间 的 误 差 测 出 来 ， 根 据 控 制 要 求 均 匀 取 出 一 定 数 量 的 补 偿 点 记 入存 贮 器 ， 系 统 运 行 时 ， 当 机 械 运 动 到 某 一 位 置 时 就 取 出 相 应 的 位 来 对 指 令 值 加 以 修 正 以 减 小 或消 除 实 际 位 置 误 差 。所 谓 间 隙 补 偿 (又 称 反 转 误 差 补 偿 )， 是 当 机 械 运 动 方 向 改 变 时 ， 由 于 滚 珠 丝 杠 与 丝 杠 螺 母间 存 在 传 动 间 隙 ， 为 使 工 作 台 反 向 运 动 ， 电 动 机 必 须 在 反 转 时 首 先 带 动 滚 珠 丝 杠 空 转 一 定 角度 ， 才 能 使 丝 杠 与 螺 母 贴 合 驱 动 工 作 台 ， 这 样 一 来 ， 就 会 使 工 作 台 反 向 运 动 时 的 实 际 位 移 一 量 小于 指 令 值 ， 产 生 反 转 误 差 。 这 种 由 传 动 间 隙 引 起 的 反 转 误 差 在 整 个 行 程 范 围 内 一 般 足 一 定 的 ，所 以 ， 只 要 在 机 械 运 动 方 向
