伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)分類
伺服系統(tǒng)的分類方法很多,常見的分類方法有以下三種。
(1)按被控量參數(shù)特性分類。
(2)按驅(qū)動元件的類型分類。
伺服控制系統(tǒng)按所用控制元件的類型可分為機電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)(液壓控制系統(tǒng)) 和氣動伺服系統(tǒng)。
(3)按控制原理分類。
伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控 制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。
伺服驅(qū)動系統(tǒng)按其用途和功能分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng);按其控制原理和有無位置檢測反饋環(huán)節(jié)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng);按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
1.進給驅(qū)動與主軸驅(qū)動
進給驅(qū)動是用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng),控制機床各坐標軸的切削進給運動,并提供切削過程所需的轉(zhuǎn)矩。主軸驅(qū)動控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動,為機床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力。一般地,對于進給驅(qū)動系統(tǒng),主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低,以及動態(tài)響應速度的快慢。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng),主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。
2.開環(huán)控制和閉環(huán)控制
數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)按有無位置反饋分兩種基本的控制結(jié)構(gòu),即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。由此形成位置開環(huán)控制系統(tǒng)和位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又可根據(jù)位置檢測裝置在機床上安裝的位置不同,進一步分為半閉環(huán)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)和全閉環(huán)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)。若位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上,構(gòu)成的伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)為全閉環(huán)控制系統(tǒng);若位置檢測裝置安裝在機床絲杠上,構(gòu)成的伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)則為半閉環(huán)控制系統(tǒng)?,F(xiàn)代數(shù)控機床的伺服驅(qū)動多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)常用于經(jīng)濟型數(shù)控或老設備的改造。
3.直流伺服驅(qū)動與交流伺服驅(qū)動
直流大慣量具有良好的寬調(diào)速性能,輸出轉(zhuǎn)矩大,過載能力強,而且,由于電機慣性與機床傳動部件的慣量相當,構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。而直流中小慣量伺服電機及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動裝置,比較適應數(shù)控機床對頻繁啟動、制動,以及快速定位、切削的要求。但直流電機一個最大的特點是具有電刷和機械換向器,這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展,使其應用受到限制。
常見的四種伺服控制系統(tǒng)如下:
(1) 液壓伺服控制系統(tǒng)
液壓伺服控制系統(tǒng)是以電機提供動力基礎,使用液壓泵將機械能轉(zhuǎn)化為壓力,推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向,從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作,完成各種設備不同的動作需要。液壓伺服控制系統(tǒng)按照偏差信號獲得和傳遞方式的不同分為機-液、電-液、氣-液等,其中應用較多的是機-液和電-液控制系統(tǒng)。按照被控物理量的不同,液壓伺服控制系統(tǒng)可以分為位置控制、速度控制、力控制、加速度控制、壓力控制和其他物理量控制等。液壓控制系統(tǒng)還可以分為節(jié)流控制(閥控)式和容積控制(泵控)式。在機械設備中,主要有機-液伺服系統(tǒng)和電-液伺服系統(tǒng)。
(2) 交流伺服控制系統(tǒng)
交流伺服控制系統(tǒng)包括基于異步電動機的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動機的交流伺服系統(tǒng)。除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點外,具有一系列優(yōu)點。它的性能指標可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應和運行穩(wěn)定性等方面來衡量。
(3) 直流伺服控制系統(tǒng)
交流伺服控制系統(tǒng)的工作原理是建立在電磁力定律基礎上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)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(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)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,它憑借控制簡單,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。
(4) 電液伺服控制系統(tǒng)
它是一種由電信號處理裝置和液壓動力機構(gòu)組成的反饋控制系統(tǒng)。最常見的有電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度控制系統(tǒng)和電液力(或力矩)控制系統(tǒng)。
以上是我們常用到的四種伺服系統(tǒng),他們的工作原理和性能以及可以應用的范圍都有所區(qū)別,各有自己的特點和優(yōu)缺點。因此在選擇或者購買的時候,就需要根據(jù)系統(tǒng)的需要以及需要控制的參數(shù)和實現(xiàn)的性能,通過計算后在選擇合適的產(chǎn)品。
進入1980年代,在電機控制領域交流電機調(diào)速技術(shù)取得了突破性進展,交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)大舉進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領域。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的最大優(yōu)點是交流電機容易維修,制造簡單,易于向大容量、高速度方向發(fā)展,適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時,從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看,采用交流電機比直流電機將更合理。