位置伺服系統的結構和原理

　　位置伺服系統應用很廣，例如數控機床中的兩個進給軸(y軸和z軸)的驅動；機器人的關節驅動；x-y記錄儀中筆的平面位置控制；攝、錄像機的磁鼓驅動系統；至于低速速率控制或對瞬時轉速有要求時，也必須采用位置伺服控制。顯然，步進電動機很適合應用于位置控制，但是在高頻響、高精度和低噪聲三方面，直流電動機更具有明顯的優越性。

1.經典位置伺服系統的結構

圖1 經典位置伺服系統

　　圖1所示為傳統或經典的位置伺服系統。圖中，旋轉式電位器與電動機同軸，電位器的輸出電壓V_θ與位置成線性關系。位置傳感器是系統必不可少的環節。位置調節器將位置給定信號V_g與位置反饋信號V_θ之差值通過調節器進行動態校正，然后送至速率調節器、電流調節器，即經過外環、中環、內環三個閉環調節器的校正再由模擬功率接口驅動伺服電動機，實現位置伺服控制。在這個系統中，位置調節器的作用是使位置給定V_g與V_θ的偏差向最小變化。速度反饋調節器的主要作用是阻尼位置調節過程的超調。電流調節器的作用是減小力矩波動，改善動態響應的快速性，并對最大電流進行限定等。濾波電路的作用是濾除位置或速率傳感器輸出信號中的諧波信號。以上各環節的參數的設計和整定應根據具體的負載的性質（力矩和慣量的大小），以便滿足位置伺服精度的要求。

　　顯然，當負載性質變化時，經典位置伺服系統的硬件參數應該作相應變化，這對于硬件伺服系統是難以進行的。而計算機實現的數字控制系統卻很容易實現。經典系統采用模擬功率驅動接口，功率損耗大，性能難提高，目前只在微小功率、低成本和低精度的場合中被采用。

2. 數字控制伺服系統的結構

圖2 數字控制伺服系統{{分頁}}

　　圖2所示是數字控制伺服系統。它由計算機控制器、PWM功率驅動接口、傳感器接口和電機本體四部分組成。計算機的作用是：完成位置信號的設置，根據傳感器接口給出的絕對零位脈沖和正、反位置反饋脈沖計算位置偏差，再由純軟件方法或軟件硬件結合的方法實現位置、速率和電流反饋控制，產生PWM脈寬調制信號，最后由PWM功率開關接口對電動機進行最終的功率驅動。在這個系統中，由于反饋控制是通過軟件實現的，故可以根據負載的性質改變系統參數，求得最佳匹配。信號濾波也可以通過軟件實現，更有可能通過計算機補償技術使傳感器精度得以補償提高。計算機控制在可靠性、小型化、聯網群控制等方面的優點都是經典模擬伺服系統無法比擬的。

　　最后需要指出的是，受計算機控制器速度的影響，全數字化的位置伺服系統的實現還存在一定的困難。

3.主要接口電路

　　(1)功率接口

　　功率接口電路常稱為主回路。直流伺服系統中大多采用脈寬調制（Pulse Width Modulation）技術，簡稱PWM。小功率PWM功率開關接口均采用全控型功率開關器件，也即自關斷器件，例如：GTR、MOSFET和IGBT。它們的主要性能指標可用反向耐壓、工作電流和開關頻率來表示。三個參數的經驗取值為：反向耐壓應有2倍以上余量，工作電流應有2~4倍左右余量，開關頻率應與實際工作頻率相當。功率驅動電路的基本類型如圖3所示。其中，H橋功率驅動接口適用于有刷電動機，三相橋功率接口適用于無刷伺服電動機。圖中VT₁~VT₆是大功率晶體管（GTR），也可以采用絕緣柵型的功率晶體管(IGBT)，當然也可以采用場效應管(MOSFET)。D₁~D₆是續流二極管。由于H橋和三相橋功率接口可以對電動機繞組施加