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(fù)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(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)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(jī)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(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)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(jī)的自動駕駛，導(dǎo)彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國民經(jīng)濟(jì)的許多部門，如自動機(jī)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(fù)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(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)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(jī)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(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)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(jī)的自動駕駛，導(dǎo)彈發(fā)射等，后來逐漸推廣到國民經(jīng)濟(jì)的許多部門，如自動機(jī)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(fù)載；

　　2、在沒有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動；

　　3、使輸出機(jī)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(zhì)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(zhì)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(diǎn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(qū)動元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動機(jī)（簡稱直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動機(jī)（簡稱交流電機(jī)）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(yīng)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(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)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(diào)節(jié)過程后到達(dá)新的或者回復(fù)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(jī)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(yīng)性好：有兩方面含義，一是指動態(tài)響應(yīng)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(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)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(yīng)，注塑機(jī)能夠根據(jù)自身的需要對供給進(jìn)行快速的調(diào)整，能夠有效提高注塑機(jī)的電能的利用率，從而達(dá)到高效節(jié)能。

　　主要結(jié)構(gòu)

　　伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器，功率驅(qū)動裝置，反饋裝置和電動機(jī)。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)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(wǎng)中的電能作用到電動機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機(jī)所需的交流電或直流電；電動機(jī)則按供電大小拖動機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　主要特點(diǎn)

　　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(shí)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(jī)（簡稱伺服電機(jī)）：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機(jī)在低速時有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)；4、寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實(shí)際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號后，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。

　　主要參數(shù)

　　衡量伺服系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬，由系統(tǒng)頻率響應(yīng)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(jī)構(gòu)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(shè)備伺服系統(tǒng)的帶寬則在1～2赫以下。自20世紀(jì)70年代以來，由于發(fā)展了力矩電機(jī)及高靈敏度測速機(jī)，使伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達(dá)到50赫，并成功應(yīng)用在遠(yuǎn)程導(dǎo)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(jī)、旋轉(zhuǎn)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(jī)）的測量軸通過減速器與轉(zhuǎn)軸相連，使轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸嚙合的測角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測角線路稱粗讀數(shù)通道。

　　典型機(jī)型

　　20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)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(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)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(jī)。90年代以后，世界各國已經(jīng)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(jī)伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機(jī)同直流伺服電動機(jī)比較：主要優(yōu)勢：1、無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)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(yīng)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(fù)雜；2、交流伺服系統(tǒng)維修比較麻煩，因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)復(fù)雜；3、交流伺服驅(qū)動器可靠性不如直流伺服，因?yàn)榘寮^于精密。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)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(yùn)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(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進(jìn)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(jī)，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)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(zhuǎn)角，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。

　　隨著微電子、電力半導(dǎo)體和電機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步，高性能伺服系統(tǒng)在激光加工、機(jī)器人、數(shù)控車床、大規(guī)模集成電路制造辦公自動化設(shè)備、雷達(dá)等高科技領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

　　因此，開展伺服系統(tǒng)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　工具/原料

　　永磁伺服電動機(jī)

　　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(qū)動器、永磁同步伺服電機(jī)組成，其中伺服電機(jī)是運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對其進(jìn)行位置、速度和電流三環(huán)控制，從而達(dá)到用戶的功能要求。

　　永磁同步伺服電機(jī)：

　　伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，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(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。

　　分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，交流伺服電動機(jī)又分為異步伺服電動機(jī)和同步伺服電動機(jī)。

　　（1）調(diào)速范圍寬，改變控制電壓，要求伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；

　　（2）機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為線性，線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高控制系統(tǒng)的精度；

　　（3）無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，伺服電動機(jī)在控制電壓消失后，應(yīng)立即停轉(zhuǎn)；

　　（4）動態(tài)響應(yīng)快，伺服電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)要小，而它的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大，轉(zhuǎn)動慣量要小小，改變控制電壓時電機(jī)的轉(zhuǎn)速能快速響應(yīng)。

　　永磁同步電動機(jī)的空間矢量控制：

　　由于交流永磁伺服電機(jī)（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(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速即其轉(zhuǎn)差為零，這些條件使得交流伺服驅(qū)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機(jī)時的數(shù)學(xué)模型的復(fù)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(jī)的兩相電流反饋（ la、lb） 和電機(jī)位置。將測得的相電流（la 、lb ） 結(jié)合位置信息，經(jīng)坐標(biāo)變化（從a ，b ，c 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d ，q 坐標(biāo)系） ，得到 ld，lq 分量，分別進(jìn)入各自的電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標(biāo)變化（從d ，q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a ，b ，c 坐標(biāo)系） ，得到三相電壓指令。控制芯片通過這三相電壓指令，經(jīng)過反向、延時后，得到6 路PWM 波輸出到功率器件，控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下，指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器，得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中，d ，q 軸的轉(zhuǎn)矩電流分量（ lq）是速度控制調(diào)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(dāng)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(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)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(dǎo)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(jìn)制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。

　　總結(jié)：

　　伺服系統(tǒng)選擇控制方式，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成伺服系統(tǒng)的相應(yīng)控制過程。

　　設(shè)置合適的參數(shù)，使輸出能夠快速準(zhǔn)確地復(fù)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(xiàng)

　　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(zhuǎn)角，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。

　　伺服電機(jī)是運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對其進(jìn)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(zhuǎn)換成電信號