伺服系統(tǒng)簡介

　　伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），其結構組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于國防軍工， 如火炮的控制， 船艦、飛機的自動駕駛，導彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國民經濟的許多部門，如自動機床、無線跟蹤控制等。

伺服系統(tǒng)百科

　　伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），其結構組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于國防軍工， 如火炮的控制， 船艦、飛機的自動駕駛，導彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國民經濟的許多部門，如自動機床、無線跟蹤控制等。

　　主要作用

　　1、以小功率指令信號去控制大功率負載；

　　2、在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動；

　　3、使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。

　　主要分類

　　從系統(tǒng)組成元件的性質來看，有電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和電氣-液壓伺服系統(tǒng)及電氣-電氣伺服系統(tǒng)等；從系統(tǒng)輸出量的物理性質來看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等；從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點來看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)；從系統(tǒng)的結構特點來看，有單回伺服系統(tǒng)、多回伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機（簡稱直流電機）伺服系統(tǒng)、交流電動機（簡稱交流電機）伺服系統(tǒng)。

　　性能要求

　　對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度和快速響應性。穩(wěn)定性好：作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力，在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后到達新的或者回復到原有平衡狀態(tài)；精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在 0.01～0.00lmm之間；快速響應性好：有兩方面含義，一是指動態(tài)響應過程中，輸出量隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應過程結束的迅速程度?？焖夙憫允撬欧到y(tǒng)動態(tài)品質的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。節(jié)能高：由于伺服系統(tǒng)的快速相應，注塑機能夠根據(jù)自身的需要對供給進行快速的調整，能夠有效提高注塑機的電能的利用率，從而達到高效節(jié)能。

　　主要結構

　　伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器，功率驅動裝置，反饋裝置和電動機?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節(jié)控制量；功率驅動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上，調節(jié)電動機轉矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電；電動機則按供電大小拖動機械運轉。

　　主要特點

　　1、精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制；2、有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測裝置實現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種；3、高性能的伺服電動機（簡稱伺服電機）：用于高效和復雜型面加工的數(shù)控機床，伺服系統(tǒng)將經常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機的輸出力矩與轉動慣量的比值大，以產生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉平穩(wěn)，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)；4、寬調速范圍的速度調節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結構看，數(shù)控機床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調節(jié)為外環(huán)、速度調節(jié)為內環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內部的實際工作過程是把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后，再通過調速系統(tǒng)驅動伺服電機，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主運動要求調速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調速系統(tǒng)。

　　主要參數(shù)

　　衡量伺服系統(tǒng)性能的主要指標有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬，由系統(tǒng)頻率響應特性來規(guī)定，反映伺服系統(tǒng)的跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機構的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。一般伺服系統(tǒng)的帶寬小于15赫，大型設備伺服系統(tǒng)的帶寬則在1～2赫以下。自20世紀70年代以來，由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了直接驅動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達到50赫，并成功應用在遠程導彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場所。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。因此，在伺服系統(tǒng)中必須采用高精度的測量元件，如精密電位器、自整角機、旋轉變壓器、光電編碼器、光柵、磁柵和球柵等。此外，也可采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，例如將測量元件（如自整角機）的測量軸通過減速器與轉軸相連，使轉軸的轉角得到放大，來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉軸嚙合的測角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉軸的測角線路稱粗讀數(shù)通道。

　　典型機型

　　20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較：主要優(yōu)勢：1、無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低；2、定子繞組散熱比較方便；3、慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；4、適應于高速大力矩工作狀態(tài)；5、同功率下有較小的體積和重量。主要劣勢：1、永磁交流伺服系統(tǒng)采用了編碼器檢測磁極位置，算法復雜；2、交流伺服系統(tǒng)維修比較麻煩，因為電路結構復雜；3、交流伺服驅動器可靠性不如直流伺服，因為板件太過于精密。到20世紀80年代中后期，各公司都已有完整的系列產品。整個伺服裝置市場都轉向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進行。高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)的組成和原理

　　伺服系統(tǒng)亦稱隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)，用來控制被控對象的位置或轉角，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。

　　隨著微電子、電力半導體和電機制造技術的進步，高性能伺服系統(tǒng)在激光加工、機器人、數(shù)控車床、大規(guī)模集成電路制造辦公自動化設備、雷達等高科技領域都有廣泛應用。

　　因此，開展伺服系統(tǒng)的研究具有現(xiàn)實意義。

　　工具/原料

　　永磁伺服電動機

　　編碼器

　　PLC

　　方法/步驟

　　伺服系統(tǒng)組成：

　　系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、伺服驅動器、永磁同步伺服電機組成，其中伺服電機是運動的執(zhí)行機構，對其進行位置、速度和電流三環(huán)控制，從而達到用戶的功能要求。

　　永磁同步伺服電機：

　　伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

　　分為直流和交流伺服電動機兩大類，交流伺服電動機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機。

　　（1）調速范圍寬，改變控制電壓，要求伺服電動機的轉速在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)；

　?。?）機械特性和調節(jié)特性為線性，線性的機械特性和調節(jié)特性有利于提高控制系統(tǒng)的精度；

　?。?）無“自轉”現(xiàn)象，伺服電動機在控制電壓消失后，應立即停轉；

　?。?）動態(tài)響應快，伺服電動機的機電時間常數(shù)要小，而它的堵轉轉矩要大，轉動慣量要小小，改變控制電壓時電機的轉速能快速響應。

　　永磁同步電動機的空間矢量控制：

　　由于交流永磁伺服電機（PMSM） 采用的是永久磁鐵勵磁，其磁場可以視為是恒定，同時交流永磁伺服電機的電機轉速就是同步轉速即其轉差為零，這些條件使得交流伺服驅動器在驅動交流永磁伺服電機時的數(shù)學模型的復雜程度得以大大的降低。

　　如圖所示，可以看出，系統(tǒng)是基于測量電機的兩相電流反饋（ la、lb） 和電機位置。將測得的相電流（la 、lb ） 結合位置信息，經坐標變化（從a ，b ，c 坐標系轉換到轉子d ，q 坐標系） ，得到 ld，lq 分量，分別進入各自的電流調節(jié)器。電流調節(jié)器的輸出經過反向坐標變化（從d ，q 坐標系轉換到a ，b ，c 坐標系） ，得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令，經過反向、延時后，得到6 路PWM 波輸出到功率器件，控制電機運行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下，指令和反饋通過相應的控制調節(jié)器，得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中，d ，q 軸的轉矩電流分量（ lq）是速度控制調節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下，磁通分量為零（ ld= 0） ，但是當速度大于限定值時，可以通過弱磁（ ld《 0） ，得到更高的速度值。

　　位置信號的檢測-編碼器：

　　編碼器（encoder）是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，以電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”，通過“１”和“０”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。

　　總結：

　　伺服系統(tǒng)選擇控制方式，進行參數(shù)設置，完成伺服系統(tǒng)的相應控制過程。

　　設置合適的參數(shù)，使輸出能夠快速準確地復現(xiàn)輸入信號，滿足了伺服系統(tǒng)的高速、高精度的要求。

　　注意事項

　　伺服系統(tǒng)亦稱隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)，用來控制被控對象的位置或轉角，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。

　　伺服電機是運動的執(zhí)行機構，對其進行位置、速度和電流三環(huán)控制

　　編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號