伺服系統(自動控制系統)

伺服系統（servomechanism）又稱隨動系統，是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。伺服系統使物體的位置、方位、狀態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。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，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，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沒有原則上的區別。伺服系統最初用於國防軍工, 如火炮的控制, 船艦、飛機的自動駕駛,飛彈發射等,後來逐漸推廣到國民經濟的許多部門,如自動工具機、無線跟蹤控制等。

基本介紹

• 中文名：伺服系統
• 外文名：servomechanism
• 別稱：隨動系統
• 作用：反饋控制系統

基本釋義

伺服系統是指利用某一部件(如控制桿)的作用能使系統所處的狀態到達或接近某一預定值,並能將所需狀態(所需值)和實際狀態加以比較,依照它們的差別(有時是這一差別的變化率)來調節控制部件的自動控制系統。

主要作用

1、以小功率指令信號去控制大功率負載；

2、在沒有機械連線的情況下，由輸入軸控制位於遠處的輸出軸，實現遠距同步傳動；

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。

發展歷史

伺服（Servo）是ServoMechanism一詞的簡寫，來源於希臘，其含義是奴隸，顧名思義，就是指系統跟隨外部指令進行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量。回顧伺服系統的發展歷程，從最早的液壓、氣動到如今的電氣化，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統已經走過了近50個年頭。

如今，隨著技術的不斷成熟，交流伺服電機技術憑藉其優異的性價比，逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機。交流伺服系統技術的成熟也使得市場呈現出快速的多元化發展，並成為工業自動化的支撐性技術之一。

我國現狀

我國製造業產業升級的不斷推進，為我國伺服產業的發展提供了巨大的市場，近年來，隨著數控工具機、包裝機械、電子專用設備等行業繼續保持較好發展以及交流伺服技術的日益成熟，新興行業如新能源行業中的風電產業伺服技術的套用使得我國伺服市場迅速發展，2010年，我國伺服市場同比增長39.7%，市場規模達到39.9億元。

很多有遠識的國產廠商正加大研發力度提升其產品的性能，進而擴大其品牌的號召力，國產伺服廠商改變進口壟斷格局將指日可待。由此預測，未來五年，我國伺服系統行業受益於產業升級的影響，仍將保持20%以上的增長速度，至2015年，我國伺服系統行業市場規模有望突破100億元，其中，國產伺服產品的市場占有率將達到40%左右。

主要分類

從系統組成元件的性質來看，有電氣伺服系統、液壓伺服系統和電氣-液壓伺服系統及電氣-電氣伺服系統等；

從系統輸出量的物理性質來看，有速度或加速度伺服系統和位置伺服系統等；

從系統中所包含的元件特性和信號作用特點來看，有模擬式伺服系統和數字式伺服系統；

從系統的結構特點來看，有單回伺服系統、多回伺服系統和開環伺服系統、閉環伺服系統。

伺服系統按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統、直流電動機（簡稱直流電機）伺服系統、交流電動機（簡稱交流電機）伺服系統。

性能要求

對伺服系統的基本要求有穩定性、精度和快速回響性。

穩定性好：作用在系統上的擾動消失後，系統能夠恢復到原來的穩定狀態下運行或者在輸入指令信號作用下，系統能夠達到新的穩定運行狀態的能力，在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過程後到達新的或者回復到原有平衡狀態；

精度高：伺服系統的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數控工具機，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；

快速回響性好：有兩方面含義，一是指動態回響過程中，輸出量隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態回響過程結束的迅速程度。快速回響性是伺服系統動態品質的標誌之一，即要求跟蹤指令信號的回響要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內，甚至小於幾十毫秒；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。

節能高：由於伺服系統的快速相應，注塑機能夠根據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，從而達到高效節能。

主要結構

伺服系統主要由三部分組成：控制器，功率驅動裝置，反饋裝置和電動機。控制器按照數控系統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節控制量；功率驅動裝置作為系統的主迴路，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，調節電動機轉矩的大小，另一方面按電動機的要求把恆壓恆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控制；

2、有多種反饋比較原理與方法：根據檢測裝置實現信息反饋的原理不同，伺服系統反饋比較的方法也不相同。常用的有脈衝比較、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)：用於高效和複雜型面加工的數控工具機，伺服系統將經常處於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，以便在與機械運動部分連線中儘量減少中間環節；

4、寬調速範圍的速度調節系統，即速度伺服系統：從系統的控制結構看，數控工具機的位置閉環系統可看作是位置調節為外環、速度調節為內環的雙閉環自動控制系統，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後，再通過調速系統驅動伺服電機，實現實際位移。數控工具機的主運動要求調速性能也比較高，因此要求伺服系統為高性能的寬調速系統。

主要參數

衡量伺服系統性能的主要指標有頻頻寬度和精度。頻頻寬度簡稱頻寬，由系統頻率回響特性來規定，反映伺服系統的跟蹤的快速性。頻寬越大，快速性越好。伺服系統的頻寬主要受控制對象和執行機構的慣性的限制。慣性越大，頻寬越窄。一般伺服系統的頻寬小於15赫，大型設備伺服系統的頻寬則在1～2赫以下。自20世紀70年代以來，由於發展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統實現了直接驅動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使頻寬達到50赫，並成功套用在遠程飛彈、人造衛星、精密指揮儀等場所。伺服系統的精度主要決定於所用的測量元件的精度。因此，在伺服系統中必須採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，也可採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。採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精讀數通道，直接取自轉軸的測角線路稱粗讀數通道。

典型機型

20世紀80年代以來，隨著積體電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，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並不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以後，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是採用全數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展日新月異。

伺服系統

永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較：

主要優勢：

1、無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低；

2、定子繞組散熱比較方便；

3、慣量小，易於提高系統的快速性；

4、適應於高速大力矩工作狀態；

5、同功率下有較小的體積和重量。

主要劣勢：

1、永磁交流伺服系統採用了編碼器檢測磁極位置，算法複雜；

2、交流伺服系統維修比較麻煩，因為電路結構複雜；

3、交流伺服驅動器可靠性不如直流伺服，因為板件太過於精密。

到20世紀80年代中後期，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。早期的模擬系統在諸如零漂、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、新型數位訊號處理器（DSP）的套用，出現了數字控制系統，控制部分可完全由軟體進行。

高性能的電伺服系統大多採用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多採用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。

發展趨勢

現代交流伺服系統，經歷了從模擬到數位化的轉變，數字控制環已經無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；採用新型功率半導體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模組也不足為奇。國際廠商伺服產品每5 年就會換代，新的功率器件或模組每2～2.5年就會更新一次，新的軟體算法則日新月異，總之產品生命周期越來越短。總結國內外伺服廠家的技術路線和產品路線，結合市場需求的變化，可以看到以下一些最新發展趨勢：

高效率化：儘管這方面的工作早就在進行，但是仍需要繼續加強。主要包括電機本身的高效率比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結構設計，也包括驅動系統的高效率化，包括逆變器驅動電路的最佳化，加減速運動的最佳化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

直接驅動：直接驅動包括採用盤式電機的轉台伺服驅動和採用直線電機的線性伺服驅動，由於消除了中間傳遞誤差，從而實現了高速化和高定位精度。直線電機容易改變形狀的特點可以使採用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化。

高速、高精、高性能化：採用更高精度的編碼器（每轉百萬脈衝級），更高採樣精度和數據位數、速度更快的DSP，無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機，以及套用自適應、人工智慧等各種現代控制策略，不斷將伺服系統的指標提高。

一體化和集成化：電動機、反饋、控制、驅動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統的一個發展方向。有時我們稱這種集成了驅動和通訊的電機叫智慧型化電機（Smart Motor），有時我們把集成了運動控制和通訊的驅動器叫智慧型化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、製造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術挑戰（如可靠性）和工程師使用習慣的挑戰，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分。

通用化：通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的選單功能，便於用戶在不改變硬體配置的條件下,方便地設定成V/F 控制、無速度感測器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式，適用於各種場合，可以驅動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機，也可以適應不同的感測器類型甚至無位置感測器。可以使用電機本身配置的反饋構成半閉環控制系統，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩感測器構成高精度全閉環控制系統。

智慧型化：現代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能，有的可以自動辨識電機的參數，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅動結合在一起，對於伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。

網路化和模組化：將現場匯流排和工業乙太網技術、甚至無線網路技術集成到伺服驅動器當中，已經成為歐洲和美國廠商的常用做法。現代工業區域網路發展的重要方向和各種匯流排標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規模分散式控制裝置的需求上升，高檔數控系統的開發成功，網路化數字伺服的開發已經成為當務之急。模組化不僅指伺服驅動模組、電源模組、再生制動模組、通訊模組之間的組合方式，而且指伺服驅動器內部軟體和硬體的模組化和可重用。

從故障診斷到預測性維護：隨著機器安全標準的不斷發展，傳統的故障診斷和保護技術（問題發生的時候判斷原因並採取措施避免故障擴大化）已經落伍，最新的產品嵌入了預測性維護技術，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術參數的動態趨勢，並採取預防性措施。比如：關注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度感測器，以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。

專用化和多樣化：雖然市場上存在通用化的伺服產品系列，但是為某種特定套用場合專門設計製造的伺服系統比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構（SPM）和嵌入式永磁（IPM）轉子結構的電機出現，分割式鐵芯結構工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產實現了高效率、大批量和自動化，並引起國內廠家的研究。

小型化和大型化：無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發展，比如20，28，35mm 外徑；同時也在發展更大功率和尺寸的機種，已經看到500KW永磁伺服電機的出現，體現了向兩極化發展的傾向。

發展方向：隨著生產力不斷發展，要求伺服系統向高精度、高速度、大功率方向發展。

1、充分利用迅速發展的電子和計算機技術，採用數字式伺服系統，利用微機實現調節控制，增強軟體控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統的性能，並為實現最優控制、自適應控制創造條件；

2、開發高精度、快速檢測元件；

3、開發高性能的伺服電機（執行元件）。交流伺服電機的變速比已達1∶10000，使用日益增多。無刷電機因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機高兩倍，維護也較方便，常用於高速數控工具機。

主要套用

伺服系統在數控加工中的作用及組成

在自動控制系統中，把輸出量能以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統稱為隨動系統，亦稱伺服系統。數控工具機的伺服系統是指以工具機移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統，又稱為隨動系統。
伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件(或稱執行元件伺服電機)組成，高性能的伺服系統還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態。

數控工具機伺服系統的作用在於接受來自數控裝置的指令信號，驅動工具機移動部件跟隨指令脈衝運動，並保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制，另外還有對主運動的伺服控制，不過控制要求不如前者高。數控工具機的精度和速度等技術指標往往主要取決於伺服系統。

套用趨勢

自動控制系統不僅在理論上飛速發展，在其套用器件上也日新月異。模組化、數位化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新換代的產品面市。傳統的交流伺服電機特性軟，並且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環控制而無法準確定位，電動機本身還有速度諧振區，pwm調速系統對位置跟蹤性能較差，變頻調速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統以其優良的性能被廣泛的套用於位置隨動系統中，但其也有缺點，例如結構複雜，在超低速時死區矛盾突出，並且換向刷會帶來噪聲和維護保養問題。新型的永磁交流伺服電機發展迅速，尤其是從方波控制發展到正弦波控制後，系統性能更好，它調速範圍寬，尤其是低速性能優越。