第1章 什么是伺服？

1.1伺服的作用

將物體移動(dòng)到規(guī)定的位置，或者跟蹤一個(gè)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)時(shí)，經(jīng)常能聽到“伺服”這個(gè)詞。“伺服（Servo）機(jī)構(gòu)”一詞的詞源據(jù)說(shuō)來(lái)自拉丁語(yǔ)中的“Servus”，即“奴隸”的意思。表示完全按照指令行動(dòng)而構(gòu)建的控制系統(tǒng)。利用伺服機(jī)構(gòu)可進(jìn)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩的單項(xiàng)控制及組合控制。 位置控制 可正確地移動(dòng)到指定位置，或停止在指定位置。位置精度有的已可達(dá)到微米（μm：千分之一毫米）以內(nèi)，還能進(jìn)行頻繁的起動(dòng)、停止。

速度控制 目標(biāo)速度變化時(shí)，也可快速響應(yīng)。即使負(fù)載變化，也可最大限度地縮小與目標(biāo)速度的差異。能實(shí)現(xiàn)在寬廣的速度范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行。

轉(zhuǎn)矩控制 即使負(fù)載變化，也可根據(jù)指定轉(zhuǎn)矩正確運(yùn)行。※轉(zhuǎn)矩是使轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的“力”。

為了實(shí)現(xiàn)既靈敏又高精度的動(dòng)作，始終確認(rèn)自己的動(dòng)作狀態(tài)，避免與指令發(fā)生偏差而不斷進(jìn)行反饋（feed back），這就是伺服機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。如何進(jìn)行控制以縮小指令信號(hào)與反饋信號(hào)之差至關(guān)重要。 JIS中“伺服機(jī)構(gòu)”的定義:“以物體的位置、方位、姿勢(shì)等作為控制量，為跟蹤目標(biāo)的任何變化而構(gòu)建的控制系統(tǒng)” 伺服機(jī)構(gòu)大致由下列各部分組成。

實(shí)際的機(jī)構(gòu)雖然也有液壓式和氣壓式的，但最近廣泛使用維護(hù)性能優(yōu)良的電氣式伺服機(jī)構(gòu)。

電氣式伺服機(jī)構(gòu)中尤其與FA相關(guān)的精密控制中，經(jīng)常使用AC伺服系統(tǒng)。

而且，伺服電機(jī)常帶有可檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度、速度和方向的編碼器，它可將檢測(cè)信息反饋給伺服放大器（控制部）。

[ 伺服電機(jī)的種類 ] 普通的伺服電機(jī)有SM（同步）型AC伺服電機(jī)、IM（感應(yīng)）型AC伺服電機(jī)和DC伺服電機(jī)3種。
與FA相關(guān)的伺服電機(jī)，尤其是需求量大的中、小容量，由于下列原因通常說(shuō)到伺服一般都是指SM型AC伺服電機(jī)。

1.2編碼器的種類 <增量編碼器與絕對(duì)編碼器> 最新的伺服電機(jī)多采用停電后無(wú)需進(jìn)行原點(diǎn)復(fù)歸的絕對(duì)編碼器。絕對(duì)編碼器中有檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈內(nèi)所處位置的絕對(duì)位置檢測(cè)部和計(jì)算旋轉(zhuǎn)了幾圈的多圈檢測(cè)部。為了防止多圈檢測(cè)數(shù)據(jù)在停電時(shí)丟失，由電池維持?jǐn)?shù)據(jù)。
下圖為光學(xué)式編碼器的原理說(shuō)明。最近，各公司已對(duì)分辨率極高（也有超過(guò)100萬(wàn)［脈沖/轉(zhuǎn)］）的編碼器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。通常，光學(xué)式編碼器用于追求小型化或高分辨率等特性的應(yīng)用領(lǐng)域，在特別追求耐環(huán)境性能（耐污染性能強(qiáng)等）的應(yīng)用領(lǐng)域，有時(shí)也使用磁力式編碼器

1.3伺服的原理和構(gòu)成 伺服系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是“比較指令值與當(dāng)前值，為了縮小該誤差”進(jìn)行反饋控制。 反饋控制中，確認(rèn)機(jī)械（控制對(duì)象）是否忠實(shí)地按照指令進(jìn)行跟蹤，有誤差（偏差）時(shí)改變控制內(nèi)容，并將這一過(guò)程進(jìn)行反復(fù)控制，以到達(dá)目標(biāo)。 注意到該控制流程是：誤差→當(dāng)前值→誤差，形成一個(gè)閉合的環(huán)，因此也稱為閉環(huán)（CLOSED LOOP）。
反之，無(wú)反饋的方式，則稱為開環(huán)（OPEN LOOP）。

根據(jù)指令值的不同，伺服系統(tǒng)的控制模式有以下3種。 （1） 位置控制模式

（2） 速度控制模式

（3） 轉(zhuǎn)矩控制模式 有的伺服產(chǎn)品，還可在運(yùn)行過(guò)程中切換模式。

此外，最近有一種稱為“運(yùn)動(dòng)控制”的控制方式也開始被采用，它適用于由1臺(tái)控制器對(duì)多個(gè)軸進(jìn)行同時(shí)控制的多軸同步控制。 伺服的控制環(huán) 從信號(hào)的流程著眼，伺服的構(gòu)成如下圖所示。

在AC伺服系統(tǒng)中，對(duì)裝在伺服電機(jī)上的編碼器所發(fā)出的脈沖信號(hào)或伺服電機(jī)的電流進(jìn)行檢測(cè)，將結(jié)果反饋至伺服放大器，并根據(jù)這個(gè)結(jié)果按照指令來(lái)控制機(jī)械。 該反饋有以下3種環(huán)。

各環(huán)都朝著使指令信號(hào)與反饋信號(hào)之差為零的目標(biāo)進(jìn)行控制。
各環(huán)的響應(yīng)速度按下述順序漸高。 （位置環(huán)）＜（速度環(huán)）＜（電流環(huán)） 各控制模式中使用的環(huán)如下所示。

[ 位置控制模式 ] (a) 定位控制的目標(biāo) FA設(shè)備中的“定位”是指工件或工具（鉆頭、銑刀）等以合適的速度向著目標(biāo)位置移動(dòng)，并高精度地停止在目標(biāo)位置。這樣的控制稱為“定位控制”。
可以說(shuō)伺服系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)這種“定位控制”的目的。

定位控制的要求是“始終正確地監(jiān)視電機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)”，為了達(dá)到此目的而使用檢測(cè)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的編碼器。
而且，為了使其具有迅速跟蹤指令的能力，伺服電機(jī)選用體現(xiàn)電機(jī)動(dòng)力性能的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大而電機(jī)本身慣性小的專用電機(jī)。 伺服系統(tǒng)的定位控制基本特點(diǎn)如下所述。 ?機(jī)械的移動(dòng)量與指令脈沖的總數(shù)成正比。 ?機(jī)械的速度與指令脈沖串的速度（脈沖頻率）成正比。 ?最終在±1個(gè)脈沖的范圍內(nèi)定位即完成，此后只要不改變位置指令，則始終保持在該位置。
（伺服鎖定功能）

因此，伺服系統(tǒng)中的位置精度由以下各項(xiàng)決定。 ?伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈機(jī)械的移動(dòng)量 ?伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈編碼器輸出的脈沖數(shù) ?機(jī)械系統(tǒng)中的間隙（松動(dòng)）等誤差 [ 速度控制模式 ] 伺服系統(tǒng)的速度控制特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)“精細(xì)、速度范圍寬、速度波動(dòng)小”的運(yùn)行。 (a) 速度加速·減速常數(shù)設(shè)定

可調(diào)整加減速運(yùn)動(dòng)中的加速度（速度變化率），避免加速、減速時(shí)的沖擊。 (b) 速度控制范圍寬 可進(jìn)行從微速到高速的寬范圍的速度控制。
（1：1000～5000左右）速度控制范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩特性。 (c) 速度變化率小 即使負(fù)載有變化，也可進(jìn)行小速度波動(dòng)的運(yùn)行。 [ 轉(zhuǎn)矩控制模式 ] 轉(zhuǎn)矩控制就是通過(guò)控制伺服電機(jī)的電流，以達(dá)到輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的控制。 <以收卷控制為例> (a) 進(jìn)行恒定的張力控制時(shí)，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)因收卷滾筒半徑的增大而增加，因此，需據(jù)此對(duì)伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

(b) 卷繞過(guò)程中材料斷裂時(shí)，將因負(fù)載變輕而高速旋轉(zhuǎn)，因此，必須設(shè)定速度限制值。

第2章 變頻器與伺服有什么區(qū)別? 2.1用途、規(guī)格的區(qū)別

（通用）變頻器與（通用）伺服在使用目的、功能方面存在本質(zhì)上的差異。選擇哪一個(gè)取決于運(yùn)行模式、負(fù)載條件、價(jià)格等因素。

2.2基本構(gòu)成的比較 大致分為進(jìn)行電力變換的主回路和指示如何進(jìn)行變換的控制回路。

(1) 變頻器的基本構(gòu)成

各部分的作用如下。

(2) 伺服的各基本構(gòu)成部分作用如下。

2.3由變頻器變更為伺服 基本上伺服的性能比變頻器優(yōu)越。

因此，由變頻器變更為伺服時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行方面的問(wèn)題。但是，必須考慮下列幾點(diǎn)。

（1）機(jī)械側(cè)的剛性 伺服的最大轉(zhuǎn)矩大約是變頻器的2倍。因此，如果機(jī)械結(jié)構(gòu)比較脆弱，加、減速時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)（振蕩現(xiàn)象）。此時(shí)，須采取加固機(jī)械結(jié)構(gòu)、減小伺服系統(tǒng)的增益（控制靈敏度）等措施。 三菱電機(jī)的某些伺服產(chǎn)品在伺服放大器控制環(huán)路中內(nèi)置了濾波器功能，在機(jī)械容易振動(dòng)的頻率（共振頻率）附近能自動(dòng)調(diào)小伺服系統(tǒng)的增益，使設(shè)備具有抑制振動(dòng)的功能。 （2） 換算到電機(jī)軸的負(fù)載慣性大小（慣性） 與變頻器相比，伺服對(duì)于負(fù)載慣性的大小很敏感。

相對(duì)于電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如果負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，則電機(jī)軸會(huì)被負(fù)載拖著旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致控制不穩(wěn)定。 因此，根據(jù)機(jī)械負(fù)載選擇合適的伺服容量至關(guān)重要。 以穩(wěn)定性為目標(biāo)，相對(duì)于電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，希望負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（換算到電機(jī)軸）的倍數(shù)小于該電機(jī)的“推薦負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比”。

（3） 電機(jī)軸的振動(dòng) 安裝電機(jī)的部位發(fā)生機(jī)械性振動(dòng)時(shí)，會(huì)給電機(jī)的轉(zhuǎn)軸帶來(lái)影響。

尤其對(duì)內(nèi)置編碼器的伺服電機(jī)，有時(shí)必須采取降低振動(dòng)的措施。 （4） 減速機(jī)構(gòu)的打滑 有V形帶減速機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，為了使皮帶傳動(dòng)部分不打滑，必須采取一些措施，如同步帶等。

審核編輯：郭婷