伺服系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)，應采用機電一體化方法進行設計。伺服系統(tǒng)設計，沒有一成不變的答案，也沒有統(tǒng)一的方法來得到答案。不同要求的伺服系統(tǒng)，可采用不同的方法來設計，因而得到結構不同的伺服系統(tǒng)。即使同樣要求的伺服系統(tǒng)，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(tǒng)結構上的復雜性，決定了其設計過程的復雜性。實際伺服系統(tǒng)的設計是很難一次成功的，往往都要經(jīng)過多次反復修改和調試才能獲得滿意的結果。下面僅對伺服系統(tǒng)設計的一般步驟和方法作一簡單介紹。

伺服系統(tǒng)的結構組成

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。下圖給出了伺服系統(tǒng)組成原理框圖。

圖 伺服系統(tǒng)組成原理框圖

1、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。?

2、控制器

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

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)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，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4、被控對象

5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)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(tǒng)設計要求

1、穩(wěn)定性

伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性指在系統(tǒng)。上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)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(wěn)定運行狀態(tài)的能力。

穩(wěn)定性要求是一項最基本的要求，是保證伺服系統(tǒng)能夠正常運行的最基本條件。伺服系統(tǒng)在其工作范圍內應該是穩(wěn)定的，其穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的結構及組成元件的參數(shù)，可采用自動控制理論所提供的各種方法來加以控制。

2、精度

伺服系統(tǒng)的精度是指其輸出量復現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。

系統(tǒng)中各個元件的誤差都會影響到系統(tǒng)的精度，如傳感器的靈敏度和精度、伺服放大器的零點漂移和死區(qū)誤差、機械裝置中的反向間隙和傳動誤差、各元器件的非線性因素等。反映在伺服系統(tǒng)_上就會表現(xiàn)出動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差，伺服系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的阻尼比和固有頻率可以提高快速響應性，但對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和最大超調量有不利影響，因此系統(tǒng)設計時應該對兩者進行優(yōu)化，使系統(tǒng)的輸出響應速度盡可能快。

4、靈敏度

系統(tǒng)各元件的參數(shù)變化等都會影響系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)對這些變化的靈敏度要小，即系統(tǒng)的性能應不受參數(shù)變化的影響。具體措施為：對于開環(huán)系統(tǒng)，應嚴格挑選各元件;對于閉環(huán)系統(tǒng)，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(tǒng)的靈敏度。

伺服系統(tǒng)設計步驟及方法

一、設計要求分析，系統(tǒng)方案設計

首先對伺服系統(tǒng)的設計要求進行分析，明確其應用場合和目的、基本性能指標及其它性能指標，然后根據(jù)現(xiàn)有技術條件擬定幾種技術方案，經(jīng)過評價、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(zhí)行元件選擇;傳感器及其檢測裝置選擇;機械傳動及執(zhí)行機構選擇等。方案設計是系統(tǒng)設計的第一步，各構成環(huán)節(jié)的選擇只是初步的，還要在詳細設計階段進一步修改確定。

二、系統(tǒng)性能分析

方案設計出來后，盡管各具體結構參數(shù)還沒有確定，也應先根據(jù)基本結構形式對其基本性能進行初步分析。

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

三、執(zhí)行元件及傳感器的選擇

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

四、機械系統(tǒng)設計

機械系統(tǒng)設計包括機械傳動機構及執(zhí)行機構的具體結構及參數(shù)的設計，設計中應注意消除各種傳動間隙，盡量提高系統(tǒng)剛度、減小慣量及摩擦，尤其在設計執(zhí)行機構的導軌時要防止會產生“爬行”現(xiàn)象。

五、控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)沒計包括信號處理及放大電路、校正裝置、伺服電動機驅動電路等的詳細設計，如果采用計算機數(shù)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(tǒng)設計中應注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇及與機械系統(tǒng)參數(shù)的匹配，以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度和快速響應性，并滿足精度要求。

六、系統(tǒng)性能復查

所有結構參數(shù)確定之后，可重新列出系統(tǒng)精確的傳遞函數(shù)，但實際的伺服系統(tǒng)一般都是高階系統(tǒng)，因而還應進行適當化簡，才可進行性能復查。經(jīng)過復查如發(fā)現(xiàn)性能不夠理想，則可調整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改算法，甚至重新設計，直到滿意為止。

七、系統(tǒng)測試實驗

上述設計與分析都還處于理論階段，實際系統(tǒng)的性能，還需通過測試實驗來確定。測試實驗可在模型實驗系統(tǒng)上進行，也可在試制的樣機上進行。通過測試實驗，往往還會發(fā)現(xiàn)一些問題，必須采取措施加以解決。

八、系統(tǒng)設計定案

經(jīng)過上述7個步驟及其中多次反復而得到滿意的結果后，可以將設計方案確定下來，然后整理設計圖樣及設計計算說明書等技術文件，準備投入正式生產。