伺服电机的组成及使用

摘要：伺服电机作为高端精密装备的必备装置，在自动化生产过程中的地位也非常重要
的，今天我们来简单谈谈数控机床中的伺服系统。
伺服电机(servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达
间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩
和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制
系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收
到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，
其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指
令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主
要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床
的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
一、伺服系统的基本要求和特点
1.对伺服系统的基本要求
(1)稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达
新的或者回复到原有平衡状态。
(2)精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控
机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在 0.01～
0.00lmm 之间。
(3)快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的
响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在 200ms 以内，甚至小于几十毫秒；另
一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。
2、伺服系统的主要特点
(1)精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。
(2)有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈
比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较 3 种。
(3)高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系
统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产
生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以
便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。
(4)宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位
置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的
实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺
服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为
高性能的宽调速系统。
二、伺服系统的分类
伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统、
交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统
和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环 3 种类型，就是与伺服
系统这 3 种方式相关。
1、开环系统
开环系统，它主要由驱动电路，执行元件和机床 3 大部分组成。常用的执行元件是步进电