早期簡易型數控工具機的j注給驅動位置伺服系統。常又用步進電機為主要部件的開環位置
伺服系統，結構如圖}-1所示。·步進電機實質上是一種同步電動機，行當數控裝置向步進電機
發出乙個進給脈衝指令的時候，步進電機的轉子就在此脈衝所產生的同步轉矩作用一卜旋轉一
個固定的角度，通常稱之為步距角，因此它是一種將電脈衝變為角位移或線位移的電磁裝置。
其特點是定位精度高，但轉換速度不快，約在毫秒數量級。步進電機步蹌角的大小與它的結構
和控制方式有關，最常用的一般為1.5「。步進電機再經過減速齒輪帶動絲槓旋轉，通過絲槓、
螺母的相對轉動，最後形成工具機工作台的運動。這樣，工作台的位移量將與進給指令脈衝的數
量成正比，而工作台移動的速度將與進給指令脈衝的頻率，即單位時間的脈衝量成正比。顯然，
這種開環位置伺服系統的位置控制精度完全依賴於步進電機的步距角精度和齒輪、絲槓等傳
動部件的精度。若傳動鏈存在誤差，系統是無法隨時進行修正的。加上受步進電機本身力矩頻
率特性的制約，系統的進給移動速度不能很高』，所以這種開環位置伺服系統僅適用於那些對位
置控制精度要求不高、位移速度較低的簡易型數控系統。它的位置控制精度一般在0.11mm左右。』但由於它結構簡單，造價低、除錯容易，所以仍被廣泛用於各種低檔的位置控制系統。開
環位置伺服系統是最早被採用的伺服系統，其系統組成與工作原理在許多教材和專著中均有
詳盡的描述，此處不再詳述。
二、半閉環位置伺服系統
與開環位置伺服系統不同，
半閉環位置伺服系統是具有位置檢測和反
控制系統。
它的位置檢測器與伺服電動機同軸相連，可通過它直接測.出電動機軸旋轉的角位移，進而推知
當前執行機械〔如工具機工作台)的實際位置。由於位置檢側器不是直接裝在執行機械上，位置閉
環只能控制到電機軸為止，所以被稱之為半閉環，它只能間接地檢知當前的位置資訊，且也難
以隨時修正、消除因電動機軸後傳動鏈誤差引起的位置誤差。數控工具機進給驅動最常用的半閉
環位置伺服系統如圖1-2所示。半閉環位置伺服系統中一般採用伺服電動機(交流伺服電動機
或直流伺服電動機)作執行電動機，與普通電動機相比、它具有調速範圍寬和·短時輸出.力矩大
的特.點。這樣，系統設計時不必再為保證低速效能和增大力矩而添置減速齒輪，而可將電動機
軸與絲杆(一般採用滾珠絲杆)直接連線，使傳動鏈誤差和非線性誤差(齒輪間隙)大大減小，在
工具機導軌幾何精度和潤滑良好時。一般可以達到微公尺數量級的位置控制精度。另外，系統還可
以採用節距誤差補償和問隙補償的方法來提高控制精度。
1-2所謂節距誤差補償f.又稱螺趾誤差補償)是按照滾珠夥槓的每乙個節距，預先把·，卜閉環間
接測量結果與機械實際位移間的誤差測出來，根據控制要求均勻取出一定數量的補償點記入
存貯器，系統執行時，當機械運動到某一位置時就取出相應的位來對指令值加以修正以減小或
消除實際位置誤差。
所謂間隙補償(又稱反轉誤差補償)，是當機械運動方向改變時，由於滾珠絲槓與絲槓螺母
間存在傳動間隙，為使工作台反向運動，電動機必須在反轉時首先帶動滾珠絲槓空轉一定角
度，才能使絲槓與螺母貼合驅動工作台，這樣一來，就會使工作台反向運動時的實際位移一量小
於指令值，產生反轉誤差。這種由傳動間隙引起的反轉誤差在整個行程範圍內一般足一定的，
所以，只要在機械運動方向發生改變時，在指令值中再附加上相當於間隙量的補償指令，即可
有效地消除反轉誤差。
半閉環位置伺服系統在它的閉環中非線性因素少，容易格定，還可以比較方a地通過補償
來提高位置控制精度，此外，半閉環的結構使它的執行機械與電氣自動控制部分相對獨立，系
統的通用性增強，因而這種結構是當前國內外數控工具機進給驅動位置伺服系統中最普遍採用
的方案。
但嚴格說來，反轉間隙量會隨工具機工作台上工件的重量和安裝位置而發生變化，節距誤差
也會因環境溫度、潤滑和機械磨損而發生變化。重型工具機中一般只能採用齒條、齒輪傳動，半閉
環位置控制的精度就更難保證、為了達到更好的控制效果，人們自然提出了直接對工作台實際
位置進行閉環控制的結構方案。
三、全閉環位置伺服系統
全閉環位置伺服系統典型構成
作台上，從而可以獲取工作台實際位
所示。它將位置檢測器件直接安裝在工具機工
息、通過反饋閉環實現高精度的位置控制。從
1-3理論上說，這是一種最理想的位置伺服控制方案。但是，在實際的數控工具機系統中卻極少採用
這種全閉環結構方案。這主要是當採用全閉環時，工具機本身的機械傳動鏈也被包含在位置閉環
中，伺服的電氣自動控制部分和』執行機械不再相對獨立，傳動的間隙、摩擦特性的非線性、傳動
鏈的剛性等都將會影響控制系統的穩定，使系統容易產生機電共振和低速爬行。同時，工作台
上的負載變化也會對系統的摩擦特性、機械慣量等產生影響，給系統的整定造成困難。此外，由
於工具機的一部分被包含在位置閉環內，.位置控制調節器的設計就不得不考慮這部分機械的傳
輸特性。工具機不同，被包含在位置閉環中的那部分機械的結構、特性往往也各有差異，這就給全
閉環位置伺服系統的通用性設計帶來了困難，也不利於降低成本。
四、混合閉環位置伺服系統
對有的執行機械(如重型工具機工作台)，位置伺服系統採用半閉環結構雖然容易整定，但很
難補償其機械傳動部分引起的位置誤差，使位置控制精度不能達到要求的指標;採用全閉環結
構系統又很難整定，系統閉環後因環內多種非線性因素誘發的振盪很難消除。於是，人們提出
一種混合閉環結構的位置伺眼系統方案、如圖1一4所示。
1-4系統中同時存在半閉環和全閉環。系統工作時，半閉環起主要控制作用。由於半閉環中電
氣自動控制部分與執行機械相對獨立，可以採用較高的位置增益，使系統易整定、響應快、跟蹤
誤差小;而全閉環只用幹穩態誤差補償，位置增益可選得較低以保證系統的穩定性。兩者相結
合可最後獲得較高的位置控制精度和跟蹤速度。但由於系統中同時存在兩個閉環，使系統的控
制複雜程度大大增加，它們之間的配合、增益調整等都必須仔細整定，位置伺服系統也因之不
再具有通用性。
在位置伺服系統的上述四種基本結構形式中，半閉環結構是當前應用最為廣泛的結構。並
且由於它的電氣自動控制部分與機械部分相對獨立，可以根據機械慣量和負載情況劃分為不
同的等級，獨立地對其電氣部分進行通用化設計，因此，從狹義上講，人們也習慣地把在半閉環
結構中位置伺服的電氣自動控制部分稱為位置伺服系統。本教材的後續內容，將側重對這種意
義上的位置伺服系統進行討論。
交流位置伺服系統PID控制方法實現
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關於伺服系統的一些基本概念
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