伺服系統必須具備可控性好、穩定性高和適應性強等基本性能。交流伺服系統的性能指標可以從調速范圍、定位精度、穩速精度、轉矩波動、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。

調速范圍是指電機的最高轉速與最低平穩轉速之比。低檔的伺服系統調速范圍在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以達到1∶100000以上。定位精度取決于編碼器的脈沖數與驅動器對編碼器的倍頻細分數，例如2048線的編碼器，在其倍頻數為2048的條件下，理論定位精度可以達到360°/（2048×2048）。 過去在測量技術比較落后的情況下，用戶還采取附加措施來提高系統的精度，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稱為精測粗測系統或雙通道系統。

通過減速器與轉軸嚙合的測角線路稱為精讀數通道，直接取自轉軸的測角線路稱為粗讀數通道。穩速精度，尤其是低速（比如速度給定1r/min時）下的穩速精度，一般在±0.1r/min以內，高性能的可以達到±0.01r/min以內。通常情況下，一些驅動器還以其額定轉速的百分數來作為速度精度，例如西門子伺服驅動器的理想速度精度通常為其額定轉速的0.001%。

轉矩波動也是衡量伺服系統性能的指標，它是由驅動器、電機以及負載共同決定的。性能優良的伺服系統其轉矩波動要求在±3%的范圍內。通常，衡量動態響應的指標是系統最高響應頻率和上升時間。上升時間指當速度設定點突然變化到實際速度穩定在設定值±2%的范圍的時間，其中包括系統的死區延遲。最高響應頻率即給定最高頻率的正弦速度指令，系統輸出速度波形的相位滯后不超過90°或者幅值不小于71%（－3dB）。如圖所示，X（t）與Y（t）信號分別為系統的輸入與輸出。

時域范圍內的信號曲線

另外，從頻域上分析，系統的帶寬反映伺服系統跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。根據速度閉環的伯德圖，可以得到系統的帶寬。伺服系統的帶寬主要受控制對象和執行機構的慣性的限制，慣性越大，帶寬越窄。通常情況下，伺服系統的帶寬會隨著功率范圍的增加而變小。目前大部分產品的速度頻帶在200～500Hz，少數產品可以達到更高，如三菱伺服電機MR-J3系列的響應頻率聲稱可高達900Hz。

速度閉環的伯德圖

運行穩定性主要是指系統在電壓波動、負載波動、電機參數變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾以及其他特殊運行條件下，維持穩定運行并保證一定的性能指標的能力。這方面我國產品（包括部分臺灣產品）和世界先進水平相比差距較大。

影響伺服系統性能的因素

（1）電機

電機是伺服系統的重要組成部分，電機執行能力的好壞將決定整個伺服系統的控制特性。常見的伺服電機可以分為直流調速電機與交流調速電機。和直流電機相比，交流伺服電機沒有直流電機的換向器和電刷等帶來的缺點。同時，電機的轉動慣量、轉子阻抗、電刷結構以及散熱等都會影響伺服系統的性能。

（2）編碼器

編碼器作為控制的反饋元件，也是影響系統精度的重要因素。首先，編碼器的脈沖數會直接影響系統的定位和速度控制精度；其次，編碼器的最高轉速也制約電機的最大轉速。目前，用于伺服控制系統的編碼器通常為光電編碼器，分為增量式、絕對值、正余弦以及旋轉變壓器等類型。編碼器的抗干擾能力會給系統的穩定性帶來直接的影響。對于永磁同步電機，正確的轉子位置識別也是控制的前提，因此，編碼器能提供給驅動器正確的轉子位置，也是控制的關鍵。

（3）驅動器

驅動器是伺服控制的核心。根據電機類型的不同，驅動器也分為不同的種類，如晶體管放大驅動器、直流驅動器及交流驅動器，目前工控行業比較常見的是交流驅動器。例如，西門子公司推出的Sinamics S120驅動器，其實是通過SPWM方式來控制電機的，其控制方式是空間矢量控制。通常情況下，電流環與速度環都是在驅動器中實現的，而位置控制可以在運動控制器中完成，也可以在驅動器中實現。電流環與速度環的閉環特性是衡量一個控制系統性能的標準，如電流環與速度環的采樣周期，速度環與電流環的帶寬，控制回路上的各種濾波、延遲等，都會影響系統的精度與動態響應能力。

（4）運動控制器

運動控制是在驅動器的速度環基礎上，增加了位置控制、齒輪同步、凸輪、插補等運動控制功能的控制方式。 運動控制器對驅動器的控制方式有3種，即數字通信方式、模擬量方式、脈沖方式。

①數字通信方式：分辨率高，信號傳輸快速、可靠，可以實現高性能的靈活控制，需要通信協議。例如，西門子的Simotion與驅動器之間的數據交換采用基于Profibus或Profinet的Profidrive協議。還有其他一些歐系公司采用CAN總線的方式，日系安川公司推出了基于MECHATROLINK總線的驅動產品，通過以上的總線方式，實現了傳動與運動控制器之間的數據傳輸控制，特別適合于需要各軸間的協調同步和插補控制的應用，除了實現機械所必需的轉矩、位置、速度控制功能以外，還可實現要求精度極高的相位協調控制等。

②模擬量方式：分辨率低，信號可靠性與抗干擾性能差，但兼容性好。例如，西門子的運動控制器Simotion與第三方驅動器之間的控制可以通過模擬量的方式來實現。

③脈沖方式：可靠性高，快速性差，靈活性差。驅動對象為步進電機。

在系統選型配置過程中，運動控制器對驅動器的控制方式是設計者需要考慮的重要因素。通信是最穩定、快捷的控制方式，同時要考慮通信的傳輸速度。通信周期受通信速率與數據量大小的制約，以西門子的運動控制器Simotion為例，在傳輸速率為1.5Mbit/s的情況下，控制6個以上的軸時，系統的通信周期默認為3ms。同時，受通信周期的限制，運動控制器的插補周期與位置環采樣周期通常為通信周期的整數倍。對于運動控制器來說，其插補周期與位置環采樣周期是衡量系統性能的關鍵。

（5）機械傳動

電機通常靠機械傳動結構（如聯軸器、齒輪箱、絲杠、傳送帶、機械凸輪等）與負載相接。這樣，聯軸器的剛性、齒輪間隙、傳送帶的松緊都會影響系統的控制精度。例如，對于直線移動的執行部件，電機通常靠同步皮帶輪或者絲杠進行連接，同步皮帶輪的嚙合間隙或者絲杠螺母的滾珠與滾道間隙等，都會對直線運動位移精度造成影響。而對于機械凸輪，必須保證速度或加速度邊界條件，才能使系統不至于產生機械諧振。

（6）負載

作為控制的最終對象，負載對系統性能的影響也不可忽略。負載的轉動慣量的大小會影響系統的動態特性，如轉動慣量大，其加速與停止過程中會要求系統的輸出扭矩大，要求驅動器的驅動能力高。另外，負載與電機的轉動慣量比也會影響系統的性能，轉動慣量比越小，控制越容易，但電機的效率越低；慣量比大，會給系統的高頻帶來諧振點，從而增加控制難度。關于負載與電機慣量比的分配，可以參考BoschRexroth公司給出的“適配標準”?：快速定位＜2∶1，修正定位＜5∶1，高速率變換＜10∶1。

轉動慣量

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概念

轉動慣量是表征剛體轉動慣性大小、衡量剛體抵抗旋轉運動的慣性的物理量。其地位相當于剛體平動中的質量，它與剛體的質量以及質量相對于轉軸的分布有關。

物理意義

直接理解轉動慣量比較抽象，但是我們可以用我們最常見、最直觀的質量來做類比。

如果我們用同樣的力在兩個質量不同的物體上作用，質量重的那個物體速度變化慢。因此質量的物理意義為可以反映出物體平動狀態下的慣性：質量越大，則慣性越大，即越難改變平動運動時它的運動狀態（從靜止開始，質量大的物體比質量小的物體更難被加速）。

同理，如果我們用同樣的力矩（使物體平動的叫力，使物體轉動的叫力矩）作用在物體上想讓它轉動，不同的物體轉動的角速度變化（類似于平動中的加速度）的快慢也不同，影響角速度變化快慢的這個因素就是轉動慣量。即轉動慣量反映物體轉動下的慣性：轉動慣量大的物體角速度難于被改變。

公式

其中：??為剛體的轉動慣量，??是每一個微元的質量，??為每一個微元到轉軸的距離。

1、相同質量的物體，質量的分布（每一個微元距轉軸的距離）如果不同，其轉動慣量也不同。

2、質量分布均勻的物體，質量不同其轉動慣量也不同。

平動和轉動中物理量關系

（7）安裝

待上述對象都得到確認后，現場裝置的安裝也會給整個系統帶來新的問題，比如如何做好系統的接地，如何避免EMC干擾，使用合適的屏蔽電纜等，都是系統設計不可忽視的問題。例如，在編碼器的電纜屏蔽層沒有真正接地的情況下，反饋信號會夾雜著噪聲，這種噪聲對控制的精度有很大的影響，甚至會導致裝置停機。

（8）系統的成套性

在整個運動控制系統的設計中，建議使用者盡可能采用同一廠家的產品，包括運動控制器、驅動器、伺服電機等，保證系統的成套性，因為這樣能夠避免如連線、配置、通信等方面的問題。單獨購買各部件所帶來的問題首先是連接順序的復雜化，電機、驅動終端和反饋設備（包括編碼器、分解器、霍爾傳感器等）可以有多種不同的連接次序。采用同一供應商的電機和驅動器還有一個好處，就是能更好地安裝、調試軟件，并確保其兼容性?。另外，每一款電機的參數都不一致，與其匹配的驅動器都有其默認參數，從電機參數的識別方式來看，驅動器也有專有的識別方式。對于第三方電機，驅動器所能夠識別的程序可能不夠準確；而在精密的運動控制系統中，一個參數的差別可能會影響電機的驅動性能，從而影響控制精度。因此，建議用戶盡量采用同一廠家的配套產品。 了解更多伺服與運動控制行業資訊，添加小編微信，更多福利資料等你領取~

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審核編輯：黃飛

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