本章导读
伺服驱动系统是机电一体化产品的重要组成部分，伺服驱动技术是机电一体化系统的关键技术。本章首先概述伺服驱动系统，包括基本概念、种类、特性及其基本要求，使读者对伺服驱动系统有一个全面的了解。然后，介绍机电一体化系统中常用的伺服电动机及其分类和性能特点，讲述机电一体化系统对各种伺服电动机的基本要求及其选用原则。最后，本章还详细讲解了常用的步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、直线电动机和液压气压伺服系统的工作原理、运行特性和性能指标，介绍了常用伺服驱动系统的驱动控制方法及其选择和应用等。 学习内容与要求
1.掌握伺服驱动系统的基本概念和基本要求；
2.了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性；
3.熟悉常用伺服驱动电动机的基本原理及其控制方法。
本章重点
1.伺服驱动系统的基本概念和基本要求；
2.常用伺服驱动电动机的工作原理及其控制方法。
本章难点
常用伺服驱动电动机的基本原理及其控制方法。
媒体使用说明
学生可通过文字教材理解伺服驱动系统的基本原理，了解常用伺服电动机的基本原理和控制方法等知识。文字教材中的重点、难点在录像教材和流媒体课件中有较详尽的讲解；伺服驱动系统的原理、常用控制电动机的原理等用文字不易表达清楚的教学内容以实物、图片、动画等视频方式作为辅助教学手段；另外，在流媒体课件中着重讲解本章知识重点、难点的典型实例以及本章的学习思路等内容。
午睡宝4.1伺服驱动技术概述
4.1.1伺服驱动系统的基本概念
伺服系统又称为随动系统或自动跟踪系统，伺服系统是所有机电一体化系统的核心。伺服驱动系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。如果把机电一体化系统比做人的话，伺服驱动系统就是人的四肢，它能够准确、快速地执行控制器发出的运动命令。
伺服系统的结构类型繁多，其组成和工作状况也不尽相同。一般来说，伺服系统主要包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置4大部分，其组成如图4-1所示。
图4-1伺服系统的组成
1.控制器
控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。控制器通常由电子线路和计算机组成。
2.功率放大器
功率放大器的作用是将信号进行放大，并驱动执行机构完成某种操作。功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。
3.执行机构
执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。目前，采用电动机作为执行元件的伺服系统占有较大比例。伺服电动机包括步进电动机和交、直流伺服电动机等。
4.检测装置
检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。伺服驱动系统中，位置检测装置主要有旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅和磁栅等；速度检测装置主要有测速发电机、光电码盘等。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此，检测装置的精度是至关重要的。另外，检测装置还应具有线性度好、可靠性高和响应快等特点。
4.1.2伺服驱动系统的基本要求
由于执行元件是机电一体化系统的直接被控对象，为了能按照控制命令的要求准确、迅速、精确、可靠地实现对控制对象的调整与控制，伺服系统应满足以下要求。
1.惯量小、动力大，具有良好的动态特性
在机电一体化系统运行过程中，伺服系统可能会频繁地启动、制动、加速或减速，所以一般要求伺服驱动装置从速度为零升至最高速或从最高速降至零的时间能够在200ms甚至几十毫秒以内，同时，速度变化时不应有超调。另外，当负载突变时，要求伺服系统的速度恢复时间短、无振荡。
2.体积小、质量轻
机电一体化系统既要确保执行元件的体积小、质量轻，同时又要增大其输出功率，故通常用功率密度这项性能指标来评价，即执行元件的单位重量所能达到的输出功率，表达式为：
连接轴Pw = P/W（W/N) （4-1)
式中：P一一输出功率；
W一一执行元件的重量。
精准灌溉系统海棠3.高可靠性、高效率和高准确性
机电一体化系统需要安全、可靠、高效地运行，这就要求执行装置具有高可靠性和高效率，并要求伺服驱动装置定位准确，定位误差特别是重复定位误差要小，跟随精度要高。
4.便于维修和安装
机电一体化系统要求执行元件便于安装，维修量小，最好不需要维修，无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维修的一例。
5.宜于计算机控制
用计算机进行控制最为方便的执行元件是电动机，因此，机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式。
4.2伺服驱动系统的种类及其特性
4.2.1按使用能量分类
伺服驱动系统有很多种不同的分类方法，根据使用能量的不同，可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型，如图化学镀镍磷合金4-2所示。
图4—2伺服驱动系统的种类
电气式伺服驱动系统是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动；液压式伺服驱动系统是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动；气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体。
1.电气式伺服驱动系统
电气式伺服驱动系统包括控制用电动机（步进电动机、DC和AC伺服电动机)、静电电动机、磁致伸缩器件、超声波电动机以及电磁铁等。其中，利用电磁力驱动的电动机和电磁铁，因其实用易得而成为常用的执行元件。电动机驱动系统一般由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转（或直线)运动，从而驱动负载机械（运行机构)根据指令进行运动。对控制用电动机的性能要求除了稳速运转性能之外，还要求其具有良好的加、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修等性能。
而电磁铁由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，由于是单向驱动，故需用弹簧复位，主要用于实现两固定点间的快速驱动。
2.液压式伺服驱动系统
液压式伺服驱动系统主要包括往复运动的油缸、回转油缸和液压马达等。目前，世界上已开发了各种数字液压式执行元件，例如电液伺服马达和电液步进马达。这些电液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加、减速驱动。对于一般的电液伺服系统，可采用电液伺服阀控制油缸的往复运动。
3.气压式伺服驱动系统
气压式伺服驱动系统除了用压缩空气做工作介质外，与液压式执行元件相似。具有代表性的气压执行元件有气缸、气动马达等。气压式伺服驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气黏性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。另外，伺服驱动系统中还有各种形式的微量位移器件。例如压电驱动器利用压电元件的压电效应来驱
动运行机构作微量位移；电热驱动器利用物体（如金属棒)的热变形来驱动运行机构实现微量进给，通过控制电热器（电阻)的加热电流来改变位移量。
上述几种伺服驱动系统的特点及优缺点如表4-1所示。
表4-1伺服驱动系统的特点及优缺点
焙烧回转窑4.2.2按控制原理分类
伺服驱动系统按控制原理的不同可以分为开环、全闭环和半闭环等伺服系统。
1.开环伺服系统
若伺服驱动系统中没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。如图4-3所示的开环数控进给系统，由数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功率放大后，驱动步进电动机旋转。由于没有检测反馈，工作台的位移精度主要取决于步进电动机和传动件的累积误差，所以，开环伺服系统的精度较低，一般可达到0.01m左右，且速度也有一定的限制，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便。另外，由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所
以，开环伺服系统工作稳定、可靠，因此在一些精度、速度要求不是很高的场合如线切割机、办公自动化设备中得到了广泛应用。
图4-3开环伺服系统
2.全闭环伺服系统
如图4-4所示，全闭环伺服系统是由安装在工作台上的位置检测装置将工作台的直线位移转换成电信号，并在比较环节与指令脉冲相比较，将所得的偏差值放大，然后由伺服电动机驱动工作台向偏差减小的方向移动，直到偏差值等于零为止。全闭环伺服系统的定位精度可以达到亚微米，是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案。但由于全部的机械传动链都被包含在位置闭环之中，所以机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本亦会急速攀升。因此，全闭环伺服系统主要用于大型、高精密的机电一体化设备。
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图4-4全闭环伺服系统
3.半闭环伺服系统
半闭环伺服系统中工作台的位置信息通过安装在电动机轴端的传感器或者安装在丝杆轴端的编码器间接获得，它与全闭环伺服系统的区别在于检测元件位于系统传动链的中间，故称为半闭环伺服系统，如图4-5所示。由于部分传动链在系统闭环之外，故半闭环伺服系统的定位精度比全闭环系统的定位精度稍差。但由于测量角位移比测量线位移容易，并可在传动链的任何转动部位进行角位移的测量和反馈，所以半闭环伺服系统的结构比较简单，调整、维护也比较方便。另外，由于将惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，所以系统调试比较容易，稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。
图4-5半闭环伺服系统
本章小结
伺服驱动系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺服驱动系统能够准确、快速地执行控制器发出的运动命令，是机电一体化系统的一个重要组成部分。本章主要介绍了伺服驱动系统的基本概念、种类及其特性，提出了伺服驱动系统的基本要求，讲述了机电一体化系统中常用伺服电动机的基本原理、分类和性能特点，
以及机电一体化系统对各种伺服电动机和液压、气压伺服系统的基本要求及其选用原则。
1.伺服驱动系统的基本概念
伺服驱动系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。
2.机电一体化中伺服驱动系统的基本要求
机电一体化系统要求伺服驱动系统惯量小、动力大、具有良好的动态特性；体积小、质量轻；具有高可靠性、高效率和高准确性；便于维修、安装和宜于计算机控制。
3.伺服驱动系统的种类和不同伺服驱动系统的性能特点
伺服驱动系统可以分为电气式、液压式和气压式等几种类型。电气式伺服驱动系统是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动；液压式是先将电能变换为液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动；气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体。电气式、液压式和气压式伺服驱动系统各自具有不同的特性和适用场合。
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