伺服驅動系統（ServoSystem）簡稱伺服系統，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統，例如數控機床等。使用在伺服系統中的驅動電機要求具有響應速度快、定位準確、轉動慣量。（使用在機電系統中的伺服電機的轉動慣量較大，為了能夠和絲杠等機械部件直接相連。伺服電機有一種專門的小慣量電機，為了得到極高的響應速度。但這類電機的過載能力低，當使用在進給伺服系統中時，必須加減速裝置。轉動慣量反映了系統的加速度特性，在選擇伺服電機時，系統的轉動慣量不能大于電機轉動慣量的3倍。）較大等特點，這類專用的電機稱為伺服電機。當然，其基本工作原理和普通的交直流電機沒有什么不同。該類電機的專用驅動單元稱為伺服驅動單元，有時簡稱為伺服，一般其內部包括電流、速度和/或位置閉環。

    一 概述

    伺服系統是以機械運動的驅動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令，經變換、放調與整大后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。數控機床中的伺服系統種類繁多，本文通過分析其結構及簡單歸分，對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。

    1 伺服驅動系統的作用：

    伺服驅動系統是CNC裝置和機床的聯系環節。CNC裝置發出的控制信息，通過伺服驅動系統，轉換成坐標軸的運動，完成程序所規定的操作。伺服驅動系統是數控機床的重要組成部分。伺服驅動系統作用有：

(1)伺服驅動系統具有放大控制信號的能力；

(2)根據CNC裝置發出的控制信號對機床移動部件的位置和速度進行控制。

     2 數控機床對伺服驅動系統的要求：

       數控機床集中了傳統的自動機床，精密機床和萬能機床三者的優點，將高效率，高精度和高柔性集中于一體。

(1)可逆運行

(2)速度范圍寬

(3)具有足夠的傳動剛性和速度穩定性

(4)響應快速并無超調

(5)高精度

(6)低速度大轉矩

   　二 伺服驅動系統的分類

    數控機床的伺服驅動系統按其用途和功能分為進給驅動系統和主軸驅動系統；按其控制原理和有無位置檢測反饋環節分為開環系統和閉環系統；按驅動執行元件的動作原理分為電液伺服驅動系統和電氣伺服驅動系統。電氣伺服驅動系統又分為直流伺服驅動系統和交流伺服驅動系統。

    1 進給驅動與主軸驅動

    進給驅動是用于數控機床工作臺或刀架坐標的控制系統，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矩。主軸驅動控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力。一般地，對于進給驅動系統，主要關心它的轉矩大小、調節范圍的大小和調節精度的高低，以及動態響應速度的快慢。對于主軸驅動系統，主要關心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調節范圍及速度調節范圍。

     2 開環控制和閉環控制

    數控機床伺服驅動系統的基本組成如圖所示。數控機床的伺服驅動系統按有無反饋檢測單元分為開環和閉環兩種類型(見數控機床伺服驅動系統分類)，這兩種類型的伺服驅動系統的基本組成不完全相同。但不管是哪種類型，執行元件及其驅動控制單元都必不可少。驅動控制單元的作用是將進給指令轉化為驅動執行元件所需要的信號形式，執行元件則將該信號轉化為相應的機械位移。

    開環伺服驅動系統由驅動控制單元、執行元件和機床組成。通常，執行元件選用步進電機。執行元件對系統的特性具有重要影響。

    閉環伺服驅動系統由執行元件、驅動控制單元、機床，以及反饋檢測單元、比較控制環節組成。反饋檢測單元將工作臺的實際位置檢測后反饋給比較控制環節，比較控制環節將指令信號和反饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統的跟隨誤差經驅動控制單元，驅動和控制執行元件帶動工作臺運動。

    在CNC系統中，由于計算機的引入，比較控制環節的功能由軟件完成，從而導致系統結構的一些改變，但基本上還是由執行元件、反饋檢測單元、比較控制環節、驅動控制單元和機床組成。

    3 直流伺服驅動與交流伺服驅動

    70年代和80年代初，數控機床多采用直流伺服驅動。直流大慣量伺服電機具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，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，構成閉環后易于調整。而直流中小慣量伺服電機及其大功率晶體管脈寬調制驅動裝置，比較適應數控機床對頻繁啟動、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、高速度方向的發展，使其應用受到限制。

    進入80年代，在電機控制領域交流電機調速技術取得了突破性進展，交流伺服驅動系統大舉進入電氣傳動調速控制的各個領域。交流伺服驅動系統的最大優點是交流電機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發展，適合于在較惡劣的環境中使用。同時，從減少伺服驅動系統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。

    三 數控機床伺服系統的故障診斷

    數控機床伺服系統故障占機床總故障的比率較高。由于伺服系統涉及的環節較多，加之種類繁多、技術原理各具特色，給維修診斷帶來困難，因此歸納一些故障診斷方法很有必要。

    數控機床坐標軸的移動定位是由位置伺服系統來完成的。位置伺服系統一般采用閉環或半閉環控制。(半)閉環控制的特點就是任一環節發生故障都可能導致系統定位不準確、不穩定或失效。診斷定位故障環節就成為維修的關鍵。根據伺服系統的控制原理和系統接口的特性，對系統進行分解判斷，已成為行之有效的方法。

    主軸伺服系統的故障及診斷方法

    當主軸伺服系統發生故障時，通常有三種表現形式：一是在CRT或操作面板上顯示報警信息或報警內容；二是在主軸驅動裝置上用警報燈數碼管顯示主軸驅動裝置的故障；三是主軸工作不正常，但無任何報警信息，主軸伺服系統常見的故障有：

(1)外界干擾

    由于受電磁干擾，屏蔽和接地措施不良，主軸轉速指令信號或反饋信號受到干擾，使主軸驅動出現隨機和無規律性的波動。判別有無干擾的方法是：當主軸轉速指令為零時，主軸仍往復轉動，調整零速平衡和漂移補償也不能消除故障。

(2)過載

     切削用量過大，頻繁正、反轉等均可引起過載報警。具體表現為主軸電動機過熱、主軸驅動張制顯示過電流報警等。

(3)主軸定位抖動

　　主軸準停用于刀具交換，精鏜退刀以及齒輪換檔等場合，有三種實現方式：

    1)機械準停控制

    2)磁性傳感器的電氣準?？刂?/p>

    3)編碼器型的準?？刂?/p>

(4)主軸轉速與進給不匹配

    當進行螺紋切削或用每轉進給指令切削時，會出現停止進給，主軸仍繼續運轉的故障。要執行每轉進給的指令，主軸必須有每轉一個脈沖的反饋信號，一般情況下為主軸編碼器有問題?？梢杂孟铝蟹椒▉泶_定：

    1)CRT畫面有報警顯示；

    2)通過CRT調用機床數據或I/O狀態，觀察編碼器的信號狀態；

    3)用每分鐘進給指令代替每轉進給來執行程序，觀察故障是否消失。

(5)轉速偏離指令值

　　當主軸轉速超過技術要求所規定的范圍時，要考慮：

    1)電動機過載。

    2)CNC系統輸出的主軸轉速模擬量（通常為0—+-10V）沒有達到與轉速指令對應的值。

    3)測速裝置有故障或速度反饋信號斷線。

    4)主軸驅動裝置故障。

(6)主軸異常噪聲及振動

　　首先要區別異常噪聲及振動發生在主軸機械部分還是在電氣驅動部分。

    1)在減速過程中發生一般是又驅動裝置造成的，如交流驅動中的再生回路故障。

　　2)在恒轉速時產生，可通過觀察主軸電動機自由停車過程中是否有噪音和振動的來區別，如存在，則主軸機械部分有問題；

    3)檢查振動周期是否與轉速有關。如無關，一般是主軸驅動裝置未調整好；如有關，應檢查主軸機械部分是否良好，測速裝置是否不良。

(7)主軸電動機不轉

　　CNC系統至主軸驅動裝置除了轉速模擬量控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。

    1)檢查CNC系統是否有速度控制信號輸出。

    2)檢查能使信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態，分析機床PLC圖形（或流程圖），以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。

    3)主軸驅動裝置故障。

    4)主軸電動機故障。

　　四 進給伺服系統的故障及診斷方法

    1 超程

    當進給運動超過由軟件設定的軟限位或由限位開關設定的硬限位時，就會發生超程報警，一般會在CRT上顯示報警內容，根據數控系統說明書，即可排除故障，解除報警。

    2 過載

    當進給運動的負載過大，頻繁正、反向運動以及傳動鏈潤滑狀態不良時，均會引起過載報警。一般會在CRT上顯示伺服電動機過載、過熱或過流等報警信息。同時，在強電柜中的進給驅動單元上、指示燈或數碼管會提示驅動單元過載、過電流等信息。

    3 竄動

    在進給時出現竄動現象：

    (1)測速信號不穩定，如測速裝置故障、測速反饋信號干擾等；

    (2)速度控制信號不穩定或受到干擾；

    (3)接線端子接觸不良，如螺釘松動等。當竄動發生在由正方向運動與反向運動的換向瞬間時，一般是由于進給傳動鏈的反向間隙或伺服系統增益過大所致。

    4 爬行

    發生在起動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態不良、伺服系統增益低及外加負載過大等因素所致。尤其要注意的是：伺服電動機和滾珠絲杠聯接用的聯軸器，由于聯接松動或聯軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠轉動與伺服電動機的轉動不同步，從而使進給運動忽快忽慢，產生爬行現象。

    5 機床出現振動

    機床以高速運行時，可能產生振動，這時就會出現過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題，所以就應去查找速度環；而機床速度的整個調節過程是由速度調節器來完成的，即凡是與速度有關的問題，應該去查找速度調節器，因此振動問題應查找速度調節器。主要從給定信號、反饋信號及速度調節器本身這三方面去查找故障。

     6 伺服電動機不轉

     數控系統至進給驅動單元除了速度控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。伺服電動機不轉，常用診斷方法有：

　　(1)檢查數控系統是否有速度控制信號輸出；

    (2)檢查使能信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態，分析機床PLC梯形圖(或流程圖)，以確定進給軸的起動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足；

    (3)對帶電磁制動的伺服電動機，應檢查電磁制動是否釋放；

    (4)進給驅動單元故障；

    (5)伺服電動機故障。  　　為了使數控系統能更好地加工零件，要加強對伺服系統及其故障診斷的了解。