一文知道伺服系统设计步骤及方法

　　伺服系统是机电一体化系统，应采用机电一体化方法进行设计。伺服系统设计，没有一成不变的答案，也没有统一的方法来得到答案。不同要求的伺服系统，可采用不同的方法来设计，因而得到结构不同的伺服系统。即使同样要求的伺服系统，不同的设计者也可能采用不同的设计方法，因而得到不同的设计方案。

　　伺服系统结构上的复杂性，决定了其设计过程的复杂性。实际伺服系统的设计是很难一次成功的，往往都要经过多次反复修改和调试才能获得满意的结果。下面仅对伺服系统设计的一般步骤和方法作一简单介绍。

　　伺服系统的结构组成

　　机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。下图给出了伺服系统组成原理框图。

　　

　　图 伺服系统组成原理框图

　　1、比较环节

　　比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。

　　2、控制器

　　控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。

　　3、执行环节

　　执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。

　　4、被控对象

　　5、检测环节

　　检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。

　　

　　伺服系统设计要求

　　1、稳定性

　　伺服系统的稳定性指在系统。上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，能够达到的新的稳定运行状态的能力。

　　稳定性要求是一项最基本的要求，是保证伺服系统能够正常运行的最基本条件。伺服系统在其工作范围内应该是稳定的，其稳定性主要取决于系统的结构及组成元件的参数，可采用自动控制理论所提供的各种方法来加以控制。

　　2、精度

　　伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。

　　系统中各个元件的误差都会影响到系统的精度，如传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。反映在伺服系统_上就会表现出动态误差、稳态误差和静态误差，伺服系统应在比较经济的条件^下达到给定的精度

　　3、快速响应性

　　快速响应性是指系统输出量快速跟随输入指令信号变化的能力，它主要取决于系统的阻尼比和固有频率可以提高快速响应性，但对系统的稳定性和最大超调量有不利影响，因此系统设计时应该对两者进行优化，使系统的输出响应速度尽可能快。

　　4、灵敏度

　　系统各元件的参数变化等都会影响系统的性能，系统对这些变化的灵敏度要小，即系统的性能应不受参数变化的影响。具体措施为：对于开环系统，应严格挑选各元件;对于闭环系统，对输出通道中元件的挑选标准可适当放宽，对反馈通道的各元件必须严格挑选，以改善系统的灵敏度。

　　

　　伺服系统设计步骤及方法

　　一、设计要求分析，系统方案设计

　　首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用场合和目的、基本性能指标及其它性能指标，然后根据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比，选定一种比较合理的方案。

　　方案设计应包括下述一些内容：控制方式选择；执行元件选择；传感器及其检测装置选择；机械传动及执行机构选择等。方案设计是系统设计的第一步，各构成环节的选择只是初步的，还要在详细设计阶段进一步修改确定。

　　二、系统性能分析

　　方案设计出来后，尽管各具体结构参数还没有确定，也应先根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。

　　首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对传递函数及方框图进行化简（一般应简化成二阶以下系统），然后在此基础上对系统稳定性、精度及快速响应性进行初步分析，其中最主要的是稳定性分析，如不能满足设计要求，应考虑修改方案或增加校正环节。

　　三、执行元件及传感器的选择

　　方案设计只是对执行元件及传感器进行了初步选型，这一步应根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执行元件及传感器的参数和型号。

　　四、机械系统设计

　　机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在设计执行机构的导轨时要防止会产生“爬行”现象。

　　五、控制系统设计

　　控制系统没计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电动机驱动电路等的详细设计，如果采用计算机数字控制，还应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应注意各环节参数的选择及与机械系统参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性，并满足精度要求。

　　六、系统性能复查

　　所有结构参数确定之后，可重新列出系统精确的传递函数，但实际的伺服系统一般都是高阶系统，因而还应进行适当化简，才可进行性能复查。经过复查如发现性能不够理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，甚至重新设计，直到满意为止。

　　七、系统测试实验

　　上述设计与分析都还处于理论阶段，实际系统的性能，还需通过测试实验来确定。测试实验可在模型实验系统上进行，也可在试制的样机上进行。通过测试实验，往往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决。

　　八、系统设计定案

　　经过上述7个步骤及其中多次反复而得到满意的结果后，可以将设计方案确定下来，然后整理设计图样及设计计算说明书等技术文件，准备投入正式生产。