位置伺服系统的结构和原理

　　位置伺服系统应用很广，例如数控机床中的两个进给轴(y轴和z轴)的驱动；机器人的关节驱动；x-y记录仪中笔的平面位置控制；摄、录像机的磁鼓驱动系统；至于低速速率控制或对瞬时转速有要求时，也必须采用位置伺服控制。显然，步进电动机很适合应用于位置控制，但是在高频响、高精度和低噪声三方面，直流电动机更具有明显的优越性。

1.经典位置伺服系统的结构

图1 经典位置伺服系统

　　图1所示为传统或经典的位置伺服系统。图中，旋转式电位器与电动机同轴，电位器的输出电压V_θ与位置成线性关系。位置传感器是系统必不可少的环节。位置调节器将位置给定信号V_g与位置反馈信号V_θ之差值通过调节器进行动态校正，然后送至速率调节器、电流调节器，即经过外环、中环、内环三个闭环调节器的校正再由模拟功率接口驱动伺服电动机，实现位置伺服控制。在这个系统中，位置调节器的作用是使位置给定V_g与V_θ的偏差向最小变化。速度反馈调节器的主要作用是阻尼位置调节过程的超调。电流调节器的作用是减小力矩波动，改善动态响应的快速性，并对最大电流进行限定等。滤波电路的作用是滤除位置或速率传感器输出信号中的谐波信号。以上各环节的参数的设计和整定应根据具体的负载的性质（力矩和惯量的大小），以便满足位置伺服精度的要求。

　　显然，当负载性质变化时，经典位置伺服系统的硬件参数应该作相应变化，这对于硬件伺服系统是难以进行的。而计算机实现的数字控制系统却很容易实现。经典系统采用模拟功率驱动接口，功率损耗大，性能难提高，目前只在微小功率、低成本和低精度的场合中被采用。

2. 数字控制伺服系统的结构

图2 数字控制伺服系统{{分页}}

　　图2所示是数字控制伺服系统。它由计算机控制器、PWM功率驱动接口、传感器接口和电机本体四部分组成。计算机的作用是：完成位置信号的设置，根据传感器接口给出的绝对零位脉冲和正、反位置反馈脉冲计算位置偏差，再由纯软件方法或软件硬件结合的方法实现位置、速率和电流反馈控制，产生PWM脉宽调制信号，最后由PWM功率开关接口对电动机进行最终的功率驱动。在这个系统中，由于反馈控制是通过软件实现的，故可以根据负载的性质改变系统参数，求得最佳匹配。信号滤波也可以通过软件实现，更有可能通过计算机补偿技术使传感器精度得以补偿提高。计算机控制在可靠性、小型化、联网群控制等方面的优点都是经典模拟伺服系统无法比拟的。

　　最后需要指出的是，受计算机控制器速度的影响，全数字化的位置伺服系统的实现还存在一定的困难。

3.主要接口电路

　　(1)功率接口

　　功率接口电路常称为主回路。直流伺服系统中大多采用脉宽调制（Pulse Width Modulation）技术，简称PWM。小功率PWM功率开关接口均采用全控型功率开关器件，也即自关断器件，例如：GTR、MOSFET和IGBT。它们的主要性能指标可用反向耐压、工作电流和开关频率来表示。三个参数的经验取值为：反向耐压应有2倍以上余量，工作电流应有2~4倍左右余量，开关频率应与实际工作频率相当。功率驱动电路的基本类型如图3所示。其中，H桥功率驱动接口适用于有刷电动机，三相桥功率接口适用于无刷伺服电动机。图中VT₁~VT₆是大功率晶体管（GTR），也可以采用绝缘栅型的功率晶体管(IGBT)，当然也可以采用场效应管(MOSFET)。D₁~D₆是续流二极管。由于H桥和三相桥功率接口可以对电动机绕组施加