一、概述
伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。
作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現(xiàn)代控制技術的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結構及簡單歸分，對其技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。
二、伺服系統(tǒng)的結構及分類
從基本結構來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動裝置、反饋裝置和電動機(圖1)?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機之上，調(diào)節(jié)電動機轉矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉換為電動機所需的交流電或直流電;電動機則按供電大小拖動機械運轉。
三、進給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望
進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。
(一)步進伺服系統(tǒng)
步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉換成相應的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機的轉速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進電動機每轉一周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50 000步等等，從理論上講其步距誤差不會累計。
步進伺服結構簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術，使得步進電動機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術的發(fā)展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。
(二)直流伺服系統(tǒng)
直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎上。與電磁轉矩相關的是互相獨立的兩個變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進行轉矩與轉速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此，直流伺服系統(tǒng)控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機床的進給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導地位。
然而，從實際運行考慮，直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
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