本文主要介紹什么是伺服系統(tǒng)，首先介紹了伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，其次介紹了伺服系統(tǒng)作用、分類及性能要求和參數(shù)，最后闡述了伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

　　什么是伺服系統(tǒng)

　　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)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

　　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)，實現(xiàn)實際位移。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)。

　　伺服系統(tǒng)作用及分類

　　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)。

　　伺服系統(tǒng)的性能要求及參數(shù)

　　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?？焖夙憫?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。

　　伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　1、交流化

　　伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向AC伺服系統(tǒng)。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，AC伺服電機(jī)的　　市場占有率已經(jīng)超過80%。在國內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機(jī)的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產(chǎn)DC伺服電機(jī)的廠家?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外，AC伺服電機(jī)將完全取代DC伺服電機(jī)。

　　2、全數(shù)字化

　　采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機(jī)(DSP)的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法(如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等)成為可能。

　　3、采用新型電力電子半導(dǎo)體器件

　　目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣門極晶體管(IGBT)等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊(Intelligent Power Modules，簡稱IPM)。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

　　4、高度集成化

　　新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化。

　　5、智能化

　　智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面：首先他們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過人機(jī)對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計算機(jī)加以修改，應(yīng)用起來十分方便;其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性;除以上特點(diǎn)之外，有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運(yùn)行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點(diǎn)之一。

　　6、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化

　　在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化(Factory AutomaTIon 簡稱FA)工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口(如RS-232C或RS-422接口等)和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)間的連接也由此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位計算機(jī)連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。也可以通過串行接口，與可編程控制器(PLC)的數(shù)控模塊相連。