伺服系统原理及发展趋势姓名：王刚学号：50128523405摘要：伺服系统是机电产品中的重要环节，其控制性能反映了机电设备的控制质量。

高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。

本文在理解《伺服驱动与控制技术》这门课程的理论基础上，介绍了伺服系统的发展过程和伺服系统的分类、原理，并具体阐述了伺服系统的发展趋势。

关键词：伺服系统；控制；电机；发展Abstract：Servo-system is the important link in the mechanical-electrical products ,its control property reflects the control quality of mechanical-electrical device.High-performance servo system can provide a flexible, convenient, accurate and fast driver. Based on understanding the servo drive and control technology based on the theory of this course, the developing of the Servo-system are introduced and the classification, the principle of the servo system, and expounds the development trend of servo system in detail.Keyword：Servo-system；Control；Motor；developing引言伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

又称随动系统。

在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。

最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器。

近年来，由于数控技术的迅速发展，伺服系统的作用于要求越显突出，交流伺服的应用也越来越为广泛。

随着国家对制造装备及其技术改造工作的重视，随着全数字式交流永磁伺服系统的性能价格比逐步提高，应该范围也越来越广泛，未来的伺服将会占据机械领域一个重要角色。

1.伺服系统的发展历史伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。

电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。

60～70年代是直流伺服电动机诞生和全盛发展的时代，直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用，伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制。

在数控机床应用领域，永磁式直流电动机占据统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。

80年代以来，随着电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展，大大推动了交流伺服驱动技术，使交流伺服系统性能日渐提高，与其相应的伺服传动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化的发展历程。

90年代开环伺服系统迅速被交流伺服所取代。

我国是从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。

主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。

80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。

2000年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。

目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创(和利时电机)、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。

其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。

2.伺服系统的分类、原理和特点2.1伺服系统的分类(1) 按调节理论分类A、开环--即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达。

它的结构简单、易于控制，但缺点是精度差，低速不平稳，扭矩小。

一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。

在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。

驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。

B、闭环---误差控制随动随动系统。

数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台实际位置的差值。

闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。

由于是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传误差可得到补偿，提高了跟随精度和定位精度。

主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。

比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。

C、半闭环---半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿。

理论上精度可以达到很高。

但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响，系统稳定性难以调整。

这种伺服系统所能达以的精度、速度和动太特性优于开环伺服系统，其复杂性和成本低于闭环伺系统，主要用于大多数中小型数控机床。

(2) 按驱动元件的类型分类A、电液伺服系统--由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。

最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统.。

常用的位置检测元件有自整角机、旋转变压器、感应同步器和差动变压器等。

为改善系统性能，常采用串联滞后校正来提高低频增益，降低系统的稳态误差。

此外，采用加速度或压力负反馈校正则是提高阻尼性能而又不降低效率的有效办法。

B、电气伺服系统--全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便，可靠性高。

驱动元件主要有步进电机和交流伺服电机。

它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题，但反应速度和低速力矩不如液压系统高，现在电机的驱动线路、电机本身的结构都得到很大的改善，性能大大提高。

C、机电伺服系统---以电动机作为动力驱动元件，电动机是将电能转换为机械能的元件，功率范围宽,使用方便,容易控制，是应用最广的驱动元件。

机电伺服系统按所用电机的类型又可分为直流伺服系统和交流伺服系统，它性能和结构与电机类型和控制方式有很大关系。

2.2结构和技术要求根据不同的伺服系统的分类，他们的结构会有差别，但是一般闭环的结构主要包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比较环节等五部分;信号输入后先是到达比较环节，进行与预定值比较，将比较的结构输入控制器，控制器根据内置的控制算法来计算的到输出到执行环节，执行环节就将这些信号转成合适的输出来驱动需要驱动的设备，也就是被控对象。

在驱动被控对象的时候，我们通过检测一些我们用来对比的信号，并经过检测环节来反馈到比较环节，这样来进行控制。

它的技术要求主要包括系统精度、稳定性、响应特性、工作频率四大方面，这四大方面也是我们在选择一款合适的产品时候最需要关注的地方。

3.伺服系统的发展趋势从前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。

总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：1．交流化伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。

从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。

在工业发达的国家，AC伺服电机的市场占有率已超过80﹪，在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步超过生产DC伺服电机的厂家。

可以预见，不久的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。

2．全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面取代模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。

全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进方法成为可能。

3．高度集成化新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。

同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。

4．智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。

最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，他们的智能化特点表现在以下几个方面：a.具有参数记忆功能。

系统的所有参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改；b.具有故障自诊断与分析功能。

无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户面板清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；c.具有参数自整定的功能。

众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。

（5）模块化和网络化在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation简称FA）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。

为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS—232C接口等）和专用的局域网接口。

这些接口的设置，显著增强了伺服单元与其它控制设备的互联能力，从而与CNC系统间的连接也因此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。

4.总结综上所述，伺服系统将向两个方向发展：一个是满足一般工业应用的要求，对性能指标要求不是很高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等；另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品——伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能化、网络化的驱动控制，以满足用户较高的要求。

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