伺服系統是機電一體化系統，應采用機電一體化方法進(jìn)行設計。伺服系統設計，沒(méi)有一成不變的答案，也沒(méi)有統一的方法來(lái)得到答案。不同要求的伺服系統，可采用不同的方法來(lái)設計，因而得到結構不同的伺服系統。即使同樣要求的伺服系統，不同的設計者也可能采用不同的設計方法，因而得到不同的設計方案。

伺服系統結構上的復雜性，決定了其設計過(guò)程的復雜性。實(shí)際伺服系統的設計是很難一次成功的，往往都要經(jīng)過(guò)多次反復修改和調試才能獲得滿(mǎn)意的結果。下面僅對伺服系統設計的一般步驟和方法作一簡(jiǎn)單介紹。

伺服系統的結構組成

從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環(huán)節、檢測環(huán)節、比較環(huán)節等五部分。

1、比較環(huán)節

比較環(huán)節是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節，通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計算機來(lái)實(shí)現。

2、控制器

控制器通常是計算機或PID控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執行元件按要求動(dòng)作。

3、執行環(huán)節

執行環(huán)節的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動(dòng)被控對象工作。機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動(dòng)伺服機構等。

4、被控對象

5、檢測環(huán)節

檢測環(huán)節是指能夠對輸出進(jìn)行測量并轉換成比較環(huán)節所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。

伺服系統設計要求

1、穩定性

伺服系統的穩定性指在系統上的擾動(dòng)信號消失后，系統能夠恢復到原來(lái)的穩定狀態(tài)下運行，或者在輸入的指令信號作用下，能夠達到的新的穩定運行狀態(tài)的能力。

穩定性要求是一項最基本的要求，是保證伺服系統能夠正常運行的最基本條件。

2、精度

伺服系統的精度是指其輸出量復現輸入指令信號的精確程度。

系統中各個(gè)元件的誤差都會(huì )影響到系統的精度，如傳感器的靈敏度和精度、伺服放大器的零點(diǎn)漂移和死區誤差、機械裝置中的反向間隙和傳動(dòng)誤差、各元器件的非線(xiàn)性因素等。反映在伺服系統上就會(huì )表現出動(dòng)態(tài)誤差、穩態(tài)誤差和靜態(tài)誤差，伺服系統應在比較經(jīng)濟的條件下達到給定的精度。

3、快速響應性

快速響應性是指系統輸出量快速跟隨輸入指令信號變化的能力，它主要取決于系統的阻尼比和固有頻率可以提高快速響應性，但對系統的穩定性和最大超調量有不利影響，因此系統設計時(shí)應該對兩者進(jìn)行優(yōu)化，使系統的輸出響應速度盡可能快。

4、靈敏度

系統各元件的參數變化等都會(huì )影響系統的性能，系統對這些變化的靈敏度要小，即系統的性能應不受參數變化的影響。具體措施為：對于開(kāi)環(huán)系統，應嚴格挑選各元件；對于閉環(huán)系統，對輸出通道中元件的挑選標準可適當放寬，對反饋通道的各元件必須嚴格挑選，以改善系統的靈敏度。

伺服系統設計步驟及方法

1、設計要求分析，系統方案設計

首先對伺服系統的設計要求進(jìn)行分析，明確其應用場(chǎng)合和目的、基本性能指標及其它性能指標，然后根據現有技術(shù)條件擬定幾種技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)評價(jià)、對比，選定一種比較合理的方案。

方案設計應包括下述一些內容：控制方式選擇；執行元件選擇；傳感器及其檢測裝置選擇；機械傳動(dòng)及執行機構選擇等。方案設計是系統設計的第一步，各構成環(huán)節的選擇只是初步的，還要在詳細設計階段進(jìn)一步修改確定。

2、系統性能分析

方案設計出來(lái)后，盡管各具體結構參數還沒(méi)有確定，也應先根據基本結構形式對其基本性能進(jìn)行初步分析。

首先畫(huà)出系統方框圖，列出系統近似傳遞函數，并對傳遞函數及方框圖進(jìn)行化簡(jiǎn)（一般應簡(jiǎn)化成二階以下系統），然后在此基礎上對系統穩定性、精度及快速響應性進(jìn)行初步分析，其中最主要的是穩定性分析，如不能滿(mǎn)足設計要求，應考慮修改方案或增加校正環(huán)節。

3、執行元件及傳感器的選擇

方案設計只是對執行元件及傳感器進(jìn)行了初步選型，這一步應根據具體速度、負載及精度要求來(lái)具體確定執行元件及傳感器的參數和型號。

4、機械系統設計

機械系統設計包括機械傳動(dòng)機構及執行機構的具體結構及參數的設計，設計中應注意消除各種傳動(dòng)間隙，盡量提高系統剛度、減小慣量及摩擦，尤其在設計執行機構的導軌時(shí)要防止會(huì )產(chǎn)生“爬行”現象。

5、控制系統設計

控制系統沒(méi)計包括信號處理及放大電路、校正裝置、伺服電動(dòng)機驅動(dòng)電路等的詳細設計，如果采用計算機數字控制，還應包括接口電路及控制器算法軟件的設計?？刂葡到y設計中應注意各環(huán)節參數的選擇及與機械系統參數的匹配，以使系統具有足夠的穩定裕度和快速響應性，并滿(mǎn)足精度要求。

6、系統性能復查

所有結構參數確定之后，可重新列出系統精確的傳遞函數，但實(shí)際的伺服系統一般都是高階系統，因而還應進(jìn)行適當化簡(jiǎn)，才可進(jìn)行性能復查。經(jīng)過(guò)復查如發(fā)現性能不夠理想，則可調整控制系統的參數或修改算法，甚至重新設計，直到滿(mǎn)意為止。

7、系統測試實(shí)驗

上述設計與分析都還處于理論階段，實(shí)際系統的性能，還需通過(guò)測試實(shí)驗來(lái)確定。測試實(shí)驗可在模型實(shí)驗系統上進(jìn)行，也可在試制的樣機上進(jìn)行。通過(guò)測試實(shí)驗，往往還會(huì )發(fā)現一些問(wèn)題，必須采取措施加以解決。

8、系統設計定案

經(jīng)過(guò)上述7個(gè)步驟及其中多次反復而得到滿(mǎn)意的結果后，可以將設計方案確定下來(lái)，然后整理設計圖樣及設計計算說(shuō)明書(shū)等技術(shù)文件，準備投入正式生產(chǎn)。

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