伺服系統是機電一體化系統，應采用機電一體化方法進行設計。伺服系統設計，沒有一成不變的答案，也沒有統一的方法來得到答案。不同要求的伺服系統，可采用不同的方法來設計，因而得到結構不同的伺服系統。即使同樣要求的伺服系統，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。實際伺服系統的設計是很難一次成功的，往往都要經過多次反復修改和調試才能獲得滿意的結果。下面僅對伺服系統設計的一般步驟和方法作一簡單介紹。

伺服系統的結構組成

從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環節、檢測環節、比較環節等五部分。

1、比較環節

比較環節是將輸入的指令信號與系統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節，通常由專門的電路或計算機來實現。

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，以控制執行元件按要求動作。

3、執行環節

執行環節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。機電一體化系統中的執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、檢測環節

檢測環節是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環節所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。

伺服系統設計要求

1、穩定性

伺服系統的穩定性指在系統上的擾動信號消失后，系統能夠恢復到原來的穩定狀態下運行，或者在輸入的指令信號作用下，能夠達到的新的穩定運行狀態的能力。

穩定性要求是一項最基本的要求，是保證伺服系統能夠正常運行的最基本條件。

2、精度

伺服系統的精度是指其輸出量復現輸入指令信號的精確程度。

系統中各個元件的誤差都會影響到系統的精度，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。反映在伺服系統上就會表現出動態誤差、穩態誤差和靜態誤差，伺服系統應在比較經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，它主要取決于系統的阻尼比和固有頻率可以提高快速響應性，但對系統的穩定性和最大超調量有不利影響，因此系統設計時應該對兩者進行優化，使系統的輸出響應速度盡可能快。

4、靈敏度

系統各元件的參數變化等都會影響系統的性能，系統對這些變化的靈敏度要小，即系統的性能應不受參數變化的影響。具體措施為：對于開環系統，應嚴格挑選各元件；對于閉環系統，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，以改善系統的靈敏度。

伺服系統設計步驟及方法

1、設計要求分析，系統方案設計

首先對伺服系統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，然后根據現有技術條件擬定幾種技術方案，經過評價、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；執行元件選擇；傳感器及其檢測裝置選擇；機械傳動及執行機構選擇等。方案設計是系統設計的第一步，各構成環節的選擇只是初步的，還要在詳細設計階段進一步修改確定。

2、系統性能分析

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

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

3、執行元件及傳感器的選擇

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

4、機械系統設計

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

5、控制系統設計

控制系統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，如果采用計算機數字控制，還應包括接口電路及控制器算法軟件的設計。控制系統設計中應注意各環節參數的選擇及與機械系統參數的匹配，以使系統具有足夠的穩定裕度和快速響應性，并滿足精度要求。

6、系統性能復查

所有結構參數確定之后，可重新列出系統精確的傳遞函數，但實際的伺服系統一般都是高階系統，因而還應進行適當化簡，才可進行性能復查。經過復查如發現性能不夠理想，則可調整控制系統的參數或修改算法，甚至重新設計，直到滿意為止。

7、系統測試實驗

上述設計與分析都還處于理論階段，實際系統的性能，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，往往還會發現一些問題，必須采取措施加以解決。

8、系統設計定案

經過上述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。

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