位置伺服系统的基本结构形式
随着现代科学技术的飞速发展，特别是微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得
的巨大技术进步，使得位置伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科
技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自
动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统(F M S ——F l e x i b l e M a n u fa c t u r i n g Sy st et n ）等等。它的控制性能，对这些高科技的发展正起着越来越关键的作用。·
位置伺服系统是一种与普通电动机调速系统有着紧密联系但又有明显不同的系统。一般
说来，人们对调速系统的要求是希望有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启、制动性能。 系统工作时，都是以一定的速度精度、稳定在调速范围内某一固定的转速上运行的，系统的主
要控制目标，是使转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度变化等千扰因素的影响。
而位置何服系统，一般是以足够的位置控制精度(定位精度) 、位置跟踪精度(位置跟踪误差) 和
足够快的跟踪速度来作为它的主要控制目标。系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令
的变化，
因而系统中伺服电动机的运行速度常常是不断变化的
服系统在跟踪性能方面的
要求一般要比普通调速系统高且严格得多。
伺服(s er v o) 这一术语，源于拉丁语，er v u s ，是“奴隶
(s l a v e ）或奴仆(s er v a n t 的意思。它
含有使机械像奴隶一样忠实地按照命令动作的意义。因而，“以物体的位置、方位、姿势等作为
被控量，使之能跟踪目标值任意变化的控制系统”被定义为位置伺服系统(J IS —日本工业标
准定义) 。
一个位置伺服系统，仅当它的指令形式呈斜坡亩数形式，即每单位时间移动的距离或转过
的角度相等时，其运行与控制特性才与一个普通调速系统相似。
从广义上讲，位置伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两大组成部分。例如，一个
数控机床的进给驱动位置伺服系统，它的机械执行机构常包括工作台(或刀架) 、滚珠丝杠、导
轨和减速齿轮等等; 电气自动控制部分则包括交流或直流伺服电动机、驱动功率放大器、反馈
检测传感器和控制调节器等等。根据应用场合和对控制性能要求的不同，位置伺服系统具有多
种不同的结构形式。按照系统的构造特点，大体上可以将其分为四种基本结构类型。’下面，以
数控机床中常用的迸给驱动位置伺服系统为例，来说明这四种基本结构形式的特点和一般构
成方法。
一、开环位置伺服系统
开环位置伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系统口它的伺服机构按照指令装置发
. 来的位置移动指令，驱动机械作相应的运动，但并不对机械的实际位移量或转角进行检测，从
而也无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只能靠伺服机构木身的传动精度来保保护。 早期简易型数控机床的j 注给驱动位置伺服系统。常又用步进电机为主要部件的开环位置
伺服系统，结构如图}-1所示。·步进电机实质上是一种同步电动机，行当数控装置向步进电机
发出一个进给脉冲指令的时候，步进电机的转子就在此脉冲所产生的同步转矩作用一卜旋转一
个固定的角度，通常称之为步距角，因此它是一种将电脉冲变为角位移或线位移的电磁装置。
其特点是定位精度高，但转换速度不快，约在毫秒数量级。步进电机步跄角的大小与它的结构
和控制方式有关，最常用的一般为1. 5“。步进电机再经过减速齿轮带动丝杠旋转，通过丝杠、
螺母的相对转动，最后形成机床工作台的运动。这样，工作台的位移量将与进给指令脉冲的数
量成正比，而工作台移动的速度将与进给指令脉冲的频率，即单位时间的脉冲量成正比。显然， 这种开环位置伺服系统的位置控制精度完全依赖于步进电机的步距角精度和齿轮、丝杠等传
动部件的精度。若传动链存在误差，系统是无法随时进行修正的。加上受步进电机本身力矩频
率特性的制约，系统的进给移动速度不能很高’，所以这种开环位置伺服系统仅适用于那些对位
置控制精度要求不高、位移速度较低的简易型数控系统。它的位置控制精度一般在0. 11m m 左右。’但由于它结构简单，造价低、调试容易，所以仍被广泛用于各种低档的位置控制系统。开
环位置伺服系统是最早被采用的伺服系统，其系统组成与工作原理在许多教材和专著中均有
详尽的描述，此处不再详述。
二、半闭环位置伺服系统
与开环位置伺服系统不同，
半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反
控制系统。
它的位置检测器与伺服电动机同轴相连，可通过它直接测. 出电动机轴旋转的角位移，进而推知
当前执行机械〔如机床工作台) 的实际位置。由于位置检侧器不是直接装在执行机械上，位置闭
环只能控制到电机轴为止，所以被称之为半闭环，它只能间接地检知当前的位置信息，且也难
以随时修正、消除因电动机轴后传动链误差引起的位置误差。数控机床进给驱动最常用的半闭
环位置伺服系统如图1-2所示。半闭环位置伺服系统中一般采用伺服电动机(交流伺服电动机
或直流伺服电动机) 作执行电动机，与普通电动机相比、它具有调速范围宽和·短时输出. 力矩大
的特. 点。这样，系统设计时不必再为保证低速性能和增大力矩而添置减速齿轮，而可将电动机
轴与丝杆(一般采用滚珠丝杆) 直接连接，使传动链误差和非线性误差(齿轮间隙) 大大减小，在
机床导轨几何精度和润滑良好时。一般可以达到微米数量级的位置控制精度。另外，系统还可
以采用节距误差补偿和问隙补偿的方法来提高控制精度。
1-2
所谓节距误差补偿f. 又称螺趾误差补偿) 是按照滚珠伙杠的每一个节距，预先把·，卜闭环间
接测量结果与机械实际位移间的误差测出来，根据控制要求均匀取出一定数量的补偿点记入 存贮器，系统运行时，当机械运动到某一位置时就取出相应的位来对指令值加以修正以减小或 消除实际位置误差。
所谓间隙补偿(又称反转误差补偿) ，是当机械运动方向改变时，由于滚珠丝杠与丝杠螺母 间存在传动间隙，为使工作台反向运动，电动机必须在反转时首先带动滚珠丝杠空转一定角
度，才能使丝杠与螺母贴合驱动工作台，这样一来，就会使工作台反向运动时的实际位移一量小 于指令值，产生反转误差。这种由传动间隙引起的反转误差在整个行程范围内一般足一定的， 所以，只要在机械运动方向发生改变时，在指令值中再附加上相当于间隙量的补偿指令，即可 有效地消除反转误差。
半闭环位置伺服系统在它的闭环中非线性因素少，容易格定，还可以比较方a 地通过补偿 来提高位置控制精度，此外，半闭环的结构使它的执行机械与电气自动控制部分相对独立，系 统的通用性增强，因而这种结构是当前国内外数控机床进给驱动位置伺服系统中最普遍采用 的方案。
但严格说来，反转间隙量会随机床工作台上工件的重量和安装位置而发生变化，节距误差 也会因环境温度、润滑和机械磨损而发生变化。重型机床中一般只能采用齿条、齿轮传动，半闭 环位置控制的精度就更难保证、为了达到更好的控制效果，人们自然提出了直接对工作台实际 位置进行闭环控制的结构方案。
三、全闭环位置伺服系统
全闭环位置伺服系统典型构成
作台上，从而可以获取工作台实际位
所示。它将位置检测器件直接安装在机床工
息、通过反馈闭环实现高精度的位置控制。从
1-3
理论上说，这是一种最理想的位置伺服控制方案。但是，在实际的数控机床系统中却极少采用 这种全闭环结构方案。这主要是当采用全闭环时，机床本身的机械传动链也被包含在位置闭环 中，伺服的电气自动控制部分和’执行机械不再相对独立，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动 链的刚性等都将会影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时，工作台 上的负载变化也会对系统的摩擦特性、机械惯量等产生影响，给系统的整定造成困难。此外，由 于机床的一部分被包含在位置闭环内，. 位置控制调节器的设计就不得不考虑这部分机械的传
输特性。机床不同，被包含在位置闭环中的那部分机械的结构、特性往往也各有差异，这就给全 闭环位置伺服系统的通用性设计带来了困难，也不利于降低成本。
四、混合闭环位置伺服系统
对有的执行机械(如重型机床工作台) ，位置伺服系统采用半闭环结构虽然容易整定，但很 难补偿其机械传动部分引起的位置误差，使位置控制精度不能达到要求的指标; 采用全闭环结 构系统又很难整定，系统闭环后因环内多种非线性因素诱发的振荡很难消除。于是，人们提出 一种混合闭环结构的位置伺眼系统方案、如图1一4所示。
1-4
系统中同时存在半闭环和全闭环。系统工作时，半闭环起主要控制作用。由于半闭环中电 气自动控制部分与执行机械相对独立，可以采用较高的位置增益，使系统易整定、响应快、跟踪 误差小; 而全闭环只用干稳态误差补偿，位置增益可选得较低以保证系统的稳定性。两者相结 合可最后获得较高的位置控制精度和跟踪速度。但由于系统中同时存在两个闭环，使系统的控 制复杂程度大大增加，它们之间的配合、增益调整等都必须仔细整定，位置伺服系统也因之不 再具有通用性。
在位置伺服系统的上述四种基本结构形式中，半闭环结构是当前应用最为广泛的结构。并 且由于它的电气自动控制部分与机械部分相对独立，可以根据机械惯量和负载情况划分为不
同的等级，独立地对其电气部分进行通用化设计，因此，从狭义上讲，人们也习惯地把在半闭环 结构中位置伺服的电气自动控制部分称为位置伺服系统。本教材的后续内容，将侧重对这种意 义上的位置伺服系统进行讨论。
位置伺服系统的基本结构形式
随着现代科学技术的飞速发展，特别是微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得
的巨大技术进步，使得位置伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科
技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自
动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统(F M S ——F l e x i b l e M a n u fa c t u r i n g Sy st et n ）等等。它的控制性能，对这些高科技的发展正起着越来越关键的作用。·
位置伺服系统是一种与普通电动机调速系统有着紧密联系但又有明显不同的系统。一般
说来，人们对调速系统的要求是希望有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启、制动性能。 系统工作时，都是以一定的速度精度、稳定在调速范围内某一固定的转速上运行的，系统的主
要控制目标，是使转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度变化等千扰因素的影响。
而位置何服系统，一般是以足够的位置控制精度(定位精度) 、位置跟踪精度(位置跟踪误差) 和
足够快的跟踪速度来作为它的主要控制目标。系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令
的变化，
因而系统中伺服电动机的运行速度常常是不断变化的
服系统在跟踪性能方面的
要求一般要比普通调速系统高且严格得多。
伺服(s er v o) 这一术语，源于拉丁语，er v u s ，是“奴隶
(s l a v e ）或奴仆(s er v a n t 的意思。它
含有使机械像奴隶一样忠实地按照命令动作的意义。因而，“以物体的位置、方位、姿势等作为
被控量，使之能跟踪目标值任意变化的控制系统”被定义为位置伺服系统(J IS —日本工业标
准定义) 。
一个位置伺服系统，仅当它的指令形式呈斜坡亩数形式，即每单位时间移动的距离或转过
的角度相等时，其运行与控制特性才与一个普通调速系统相似。
从广义上讲，位置伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两大组成部分。例如，一个
数控机床的进给驱动位置伺服系统，它的机械执行机构常包括工作台(或刀架) 、滚珠丝杠、导
轨和减速齿轮等等; 电气自动控制部分则包括交流或直流伺服电动机、驱动功率放大器、反馈
检测传感器和控制调节器等等。根据应用场合和对控制性能要求的不同，位置伺服系统具有多
种不同的结构形式。按照系统的构造特点，大体上可以将其分为四种基本结构类型。’下面，以
数控机床中常用的迸给驱动位置伺服系统为例，来说明这四种基本结构形式的特点和一般构
成方法。
一、开环位置伺服系统
开环位置伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系统口它的伺服机构按照指令装置发
. 来的位置移动指令，驱动机械作相应的运动，但并不对机械的实际位移量或转角进行检测，从
而也无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只能靠伺服机构木身的传动精度来保保护。 早期简易型数控机床的j 注给驱动位置伺服系统。常又用步进电机为主要部件的开环位置
伺服系统，结构如图}-1所示。·步进电机实质上是一种同步电动机，行当数控装置向步进电机
发出一个进给脉冲指令的时候，步进电机的转子就在此脉冲所产生的同步转矩作用一卜旋转一
个固定的角度，通常称之为步距角，因此它是一种将电脉冲变为角位移或线位移的电磁装置。
其特点是定位精度高，但转换速度不快，约在毫秒数量级。步进电机步跄角的大小与它的结构
和控制方式有关，最常用的一般为1. 5“。步进电机再经过减速齿轮带动丝杠旋转，通过丝杠、
螺母的相对转动，最后形成机床工作台的运动。这样，工作台的位移量将与进给指令脉冲的数
量成正比，而工作台移动的速度将与进给指令脉冲的频率，即单位时间的脉冲量成正比。显然， 这种开环位置伺服系统的位置控制精度完全依赖于步进电机的步距角精度和齿轮、丝杠等传
动部件的精度。若传动链存在误差，系统是无法随时进行修正的。加上受步进电机本身力矩频
率特性的制约，系统的进给移动速度不能很高’，所以这种开环位置伺服系统仅适用于那些对位
置控制精度要求不高、位移速度较低的简易型数控系统。它的位置控制精度一般在0. 11m m 左右。’但由于它结构简单，造价低、调试容易，所以仍被广泛用于各种低档的位置控制系统。开
环位置伺服系统是最早被采用的伺服系统，其系统组成与工作原理在许多教材和专著中均有
详尽的描述，此处不再详述。
二、半闭环位置伺服系统
与开环位置伺服系统不同，
半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反
控制系统。
它的位置检测器与伺服电动机同轴相连，可通过它直接测. 出电动机轴旋转的角位移，进而推知
当前执行机械〔如机床工作台) 的实际位置。由于位置检侧器不是直接装在执行机械上，位置闭
环只能控制到电机轴为止，所以被称之为半闭环，它只能间接地检知当前的位置信息，且也难
以随时修正、消除因电动机轴后传动链误差引起的位置误差。数控机床进给驱动最常用的半闭
环位置伺服系统如图1-2所示。半闭环位置伺服系统中一般采用伺服电动机(交流伺服电动机
或直流伺服电动机) 作执行电动机，与普通电动机相比、它具有调速范围宽和·短时输出. 力矩大
的特. 点。这样，系统设计时不必再为保证低速性能和增大力矩而添置减速齿轮，而可将电动机
轴与丝杆(一般采用滚珠丝杆) 直接连接，使传动链误差和非线性误差(齿轮间隙) 大大减小，在
机床导轨几何精度和润滑良好时。一般可以达到微米数量级的位置控制精度。另外，系统还可
以采用节距误差补偿和问隙补偿的方法来提高控制精度。
1-2
所谓节距误差补偿f. 又称螺趾误差补偿) 是按照滚珠伙杠的每一个节距，预先把·，卜闭环间
接测量结果与机械实际位移间的误差测出来，根据控制要求均匀取出一定数量的补偿点记入 存贮器，系统运行时，当机械运动到某一位置时就取出相应的位来对指令值加以修正以减小或 消除实际位置误差。
所谓间隙补偿(又称反转误差补偿) ，是当机械运动方向改变时，由于滚珠丝杠与丝杠螺母 间存在传动间隙，为使工作台反向运动，电动机必须在反转时首先带动滚珠丝杠空转一定角
度，才能使丝杠与螺母贴合驱动工作台，这样一来，就会使工作台反向运动时的实际位移一量小 于指令值，产生反转误差。这种由传动间隙引起的反转误差在整个行程范围内一般足一定的， 所以，只要在机械运动方向发生改变时，在指令值中再附加上相当于间隙量的补偿指令，即可 有效地消除反转误差。
半闭环位置伺服系统在它的闭环中非线性因素少，容易格定，还可以比较方a 地通过补偿 来提高位置控制精度，此外，半闭环的结构使它的执行机械与电气自动控制部分相对独立，系 统的通用性增强，因而这种结构是当前国内外数控机床进给驱动位置伺服系统中最普遍采用 的方案。
但严格说来，反转间隙量会随机床工作台上工件的重量和安装位置而发生变化，节距误差 也会因环境温度、润滑和机械磨损而发生变化。重型机床中一般只能采用齿条、齿轮传动，半闭 环位置控制的精度就更难保证、为了达到更好的控制效果，人们自然提出了直接对工作台实际 位置进行闭环控制的结构方案。
三、全闭环位置伺服系统
全闭环位置伺服系统典型构成
作台上，从而可以获取工作台实际位
所示。它将位置检测器件直接安装在机床工
息、通过反馈闭环实现高精度的位置控制。从
1-3
理论上说，这是一种最理想的位置伺服控制方案。但是，在实际的数控机床系统中却极少采用 这种全闭环结构方案。这主要是当采用全闭环时，机床本身的机械传动链也被包含在位置闭环 中，伺服的电气自动控制部分和’执行机械不再相对独立，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动 链的刚性等都将会影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时，工作台 上的负载变化也会对系统的摩擦特性、机械惯量等产生影响，给系统的整定造成困难。此外，由 于机床的一部分被包含在位置闭环内，. 位置控制调节器的设计就不得不考虑这部分机械的传
输特性。机床不同，被包含在位置闭环中的那部分机械的结构、特性往往也各有差异，这就给全 闭环位置伺服系统的通用性设计带来了困难，也不利于降低成本。
四、混合闭环位置伺服系统
对有的执行机械(如重型机床工作台) ，位置伺服系统采用半闭环结构虽然容易整定，但很 难补偿其机械传动部分引起的位置误差，使位置控制精度不能达到要求的指标; 采用全闭环结 构系统又很难整定，系统闭环后因环内多种非线性因素诱发的振荡很难消除。于是，人们提出 一种混合闭环结构的位置伺眼系统方案、如图1一4所示。
1-4
系统中同时存在半闭环和全闭环。系统工作时，半闭环起主要控制作用。由于半闭环中电 气自动控制部分与执行机械相对独立，可以采用较高的位置增益，使系统易整定、响应快、跟踪 误差小; 而全闭环只用干稳态误差补偿，位置增益可选得较低以保证系统的稳定性。两者相结 合可最后获得较高的位置控制精度和跟踪速度。但由于系统中同时存在两个闭环，使系统的控 制复杂程度大大增加，它们之间的配合、增益调整等都必须仔细整定，位置伺服系统也因之不 再具有通用性。
在位置伺服系统的上述四种基本结构形式中，半闭环结构是当前应用最为广泛的结构。并 且由于它的电气自动控制部分与机械部分相对独立，可以根据机械惯量和负载情况划分为不
同的等级，独立地对其电气部分进行通用化设计，因此，从狭义上讲，人们也习惯地把在半闭环 结构中位置伺服的电气自动控制部分称为位置伺服系统。本教材的后续内容，将侧重对这种意 义上的位置伺服系统进行讨论。