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检测与伺服系统第一章伺服系统的概述§1-1什么是伺服系统（特点）“伺服”一词；英文“servo”的音译。就是“跟踪”“随动”的意思。过去叫“随动系统”。在机电行业中，按控制性质可分为开关控制，过程控制和运动控制三大系统。伺服系统实际上就是现在人们常说的运动控制系统。它是工业控制系统中的一类；同样遵循自动控制的基本原理。由于其控制对象，也就是其输出部分是整个机械系统，因此具有下列特点：1）控制对象专指两个运动参数：速度与位置。所以，像温度控制系统就不是伺服系统。鉴于历史和习惯的原因；速度控制不叫速度伺服系统，而叫调速系统；所以一般提到伺服系统都是指位置伺服系统。雷达天线跟踪飞行目标的三坐标定位就是典型的伺服系统。2）对系统的动态性能和静态精度指标要求相对较高。通俗地讲就是要“跟得快”和“跟得准”。这与该系统的工业用途密切相关；特别是制造加工业。跟踪有两种：一种是未知的运动轨迹，如前述的雷达天线。另一种是已知的，如预先给定的加工轮廓曲线。系统执行机构常常是电机，加上机械链系统本身的惯性，过高的快速响应是很难做到的。3）当用于机床主轴的调速系统，要求很宽的调速范围（2mm/min～6000mm/min）。特别像加工中心；在同一台设备上实现这么宽的速度范围是有难度的。4）伺服系统的控制过程中，电机必须不断正反转，才能迅速跟踪输入量（即给定量）的变化。因此，应尽量减少或消除机械传动链中的齿隙，丝杠间隙与摩擦等这些造成系统不稳定（振荡）的非线性因素。电机的驱动方式必须采取PWM方式。不要误解移相触发的可逆环路，那只是为了像龙门刨床台面反向运动的需要，与跟随的瞬间正反转完全是两码事。5）像加工中心这样的现代数控设备；同一台设备上应能使用各种刀具（车，铣，钻，镗），各种切削方式和加工不同材料（如钢，铸铁等）。这样造成电机后接机械负载的变化范围很大；因此要求系统具有很高的抗干扰稳定性。（在自控系统中，通常将负载看成干扰环节N（s））6）对于位置伺服系统；既要位置跟踪，又要速度跟踪，是两种控制的综合；需要采用复合控制。数控机床插补所采用的“时间分割法”就是兼顾这两种跟踪。§1-2自动控制系统的性能指标[注]系统输入有三种，一般用典型的阶跃信号1）系统的稳定性。如图1-1所示图1-1稳定系统与不稳定系统指标：相角稳定裕量γ，幅值稳定裕量gK2）稳态（静态）性能。图1-2自动控制系统的稳态性能指标：sse3）动态性能指标。图1-3系统对突加信号的动态响应曲线三个指标：0tσN①最大超调量%100maxCC愈小，过渡过程愈平稳。一般调速系统10%～35%轧钢机初轧机＜10%连轧机＜2%～5%张力控制的造纸机不允许有超调②调整时间0t反映系统是否快速连轧机0.2～0.5s造纸机0.3s③振荡次数NN愈少,系统稳定性好普通机床2～3次龙门刨床与轧钢机1次造纸机不允许§1-3伺服系统的应用与发展1）目前交流伺服已占主流；分别是永磁同步（SM型）电机和感应异步（IM型）两类电机，其中SM为主。2）伺服系统用量最大的行业依次是机床，食品包装，纺织，半导体，塑料和橡胶机械，合计超过75%。注意：这些机械设备基本上都采用数字控制。在工业领域中，人们常将除机床，机器人以外的上述机械称为广义数控机械。2）在数控机床中，位置伺服用于进给，速度伺服用于主轴。对于进给机构，大量使用永磁无刷伺服电机，高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。主轴传动，则以高速永磁交流伺服取代异步变频驱动。90年代以耒，欧美，日本各国争相开发和应用新一代高速数控机床。现在，主轴高速达30000rpm～100000rpm，工作台进给速度在分辩率为1μm时，达到100m/min，在分辩率为0.1μm时，达24m/min以上。3）在机器人领域，无刷永磁伺服系统得到大量应用，每台工业机器人需要的电机在10台以上。国际机器人巨头都有自己专属伺服系统配套，如安川，松下和ABB。4）无轴传动（电子轴）是全球印刷企业和机械制造商的焦点。无轴传动就是用多个单独的伺服电机取代传统的机械传动链，伺服驱动器之间依靠高速现场总线进行联系；通过软件保证各伺服轴对内部虚拟数字电子轴保持严格同步（图1-4）。注意；民用工业对伺服系统要求最高的就是印刷设备。这一领域顶级的伺服控制解决方案耒自德国的博世力士乐，伦茨，日本的住友和奥地利的贝加莱。图1-4高速现场总线