伺服系統(tǒng)是有哪些結構組成的？它的工作原理是什么？

伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(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(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。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(tǒng)專指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機械位移或位移速度、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(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、飛機的自動駕駛,導彈發(fā)射等,后來逐漸推廣到國民經(jīng)濟的許多部門,如自動機床、無線跟蹤控制等。

“伺服(Servo)”一詞源于希臘語“奴隸”，意即“伺候”和“服從”，伺服系統(tǒng)就是指可以按照外部指令進行人們所期望的運動的系統(tǒng)，實現(xiàn)包括位置、方位、狀態(tài)等輸出量的自動控制。它不僅是工業(yè)自動化的關鍵環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)精準定位、精準運動的必要途徑。作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行單元，伺服電機種類繁多，其中永磁同步伺服電機因其高效節(jié)能、操作簡易等優(yōu)點，逐漸成為市場主流。相比于步進電機，伺服電機在控制精度、穩(wěn)定輸出、過載能力等性能上優(yōu)勢明顯，在工業(yè)領域廣泛使用。本文將簡單介紹伺服系統(tǒng)以及伺服電機的工作原理及其分類，并對伺服電機的常用性能指標作出說明。

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伺服系統(tǒng)構成及其工作原理

伺服系統(tǒng)主要由伺服驅動器、編碼器和伺服電機等部件構成，其運動原理圖如下圖所示：

伺服系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，能使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量跟隨輸入目標(或給定值)的變化而變化。伺服驅動器在接收下達的控制命令后，會發(fā)出信號給伺服電機驅動其轉動;與此同時，嵌入電機的編碼器將伺服電機的運動參數(shù)反饋給伺服驅動器，由伺服驅動器完成對信號的匯總、分析和修正。由此，伺服系統(tǒng)以閉環(huán)的形式精確控制了執(zhí)行機構(電機等機械傳動裝置)的輸出變量。

伺服驅動器、伺服電機及編碼器的功能介紹如下：

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伺服驅動器

1、構成

伺服驅動器主要由伺服控制單元、功率驅動單元、通訊接口單元組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等。

伺服驅動器大體可以劃分為功率板和控制板兩個模塊。功率板是強電部分(功率大、電流大、頻率低的電力部分)，其中包括兩個單元，一是功率驅動單元IPM，用于電機的驅動，二是開關電源單元，為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源?？刂瓢迨侨蹼姴糠?，是電機的控制核心，也是伺服驅動器技術核心控制算法的運行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應的算法輸出脈沖寬度調制(PWM)或脈沖頻率調制(PFM)信號，作為驅動電路的驅動信號，來改變逆變器的輸出功率，以達到控制交流伺服電機的目的。其中，逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成定頻定壓或調頻調壓交流電(一般為220V，50Hz正弦波)的轉換器。

伺服驅動器主要材料成本中，IGBT和DSP芯片占總材料成本的50%以上。IGBT即絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導通壓降兩方面的優(yōu)點，用于功率驅動單元，能夠輔助直流電轉變?yōu)榻涣麟?。我國IGBT市場90%以上被外資企業(yè)占領，在短時間內IGBT實現(xiàn)國產(chǎn)化較為困難。

2、工作原理

控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉矩和電流控制器?？刂瓢逅捎玫臄?shù)字信號處理器(DSP)除了具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如AC/DC(交流直流)轉換器、PWM發(fā)生器、定時/計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN(控制局域網(wǎng)絡)總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM(隨機存取存儲器)和大容量的程序存儲器等，可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經(jīng)過整流好的三相電再通過逆變器變頻輸出交流電來驅動伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。

伺服回路可根據(jù)輸入命令信號提供電機的比例控制。簡單的伺服驅動器包含用于控制扭矩的單個伺服回路。更先進的伺服驅動器可增設速度環(huán)，并且還可以包含位置環(huán)。在完整的伺服驅動器系統(tǒng)中，運動控制器發(fā)出的數(shù)字信號將命令所需的運動軌跡利用這三個伺服回路來優(yōu)化性能。每個環(huán)路向后續(xù)環(huán)路發(fā)送信號，并監(jiān)測適當?shù)姆答佋?，從而進行實時更正，以匹配命令參數(shù)。

伺服系統(tǒng)的組成

伺服系統(tǒng)主要由伺服控制器、驅動電路、伺服電動機及相應反饋檢測器件組成。

(1)伺服電機

伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的電機，伺服電機內部帶有編碼器，能實時反饋運動數(shù) 據(jù)給伺服驅動器。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度輸出。

(2)伺服驅動器

伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服 系統(tǒng)的一部分，它的主要作用是按照控制命令的要求，對功率進行放大、變換與調控等處理之后傳遞給伺 服電機。

(3)傳感裝置

傳感裝置最常用的是編碼器，一般伺服電機內自帶編碼器，用以反饋采集的實際運動數(shù)據(jù)給驅動器， 從而實現(xiàn)運動控制閉環(huán)。

(4)伺服驅動器對伺服電機的控制

伺服驅動器一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。

①位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動 的角度，也有些伺服可以直接對速度和位移進行賦值，位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制。

②速度模式：速度模式通過模擬量的輸入或脈沖頻率的輸入進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán) PID 控 制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或負載的位置信號給反饋上位機做運算用。

③轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，可 以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小。

3.伺服系統(tǒng)原理

當人為的給定控制信號并被伺服控制系統(tǒng)接收時，執(zhí)行機構就會按照控制信號的指令進行一系列的運動和動作;如果不再出現(xiàn)信號，被控傳動裝置停止動作直到控制信號的來臨。

4.伺服系統(tǒng)分類

(1)根據(jù)其作用對象的不同，可分為位置伺服系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)兩大類

1)位置伺服系統(tǒng)

是指能夠對目標指令位置進行精確的跟蹤和定位的伺服系統(tǒng)。根據(jù)有無反饋，位置伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。

開環(huán)位置伺服系統(tǒng)具有結構簡單、成本低的優(yōu)點，但是不具有位置、速度反饋功能，其位置控制精度依賴于步進電機的步距角和傳動機構的精度。

閉環(huán)控制分為全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。全閉環(huán)控制下，檢測元件直接檢測被控對象在工作臺上的位移，并把該位移反饋給控制器，以構成全閉環(huán)控制。由于控制器可以根據(jù)被控對象的實際位移進行控制，因此全閉環(huán)控制具有很高的定位精度，可以消除從電機到機械傳動機構再到被控對象，整個過程的誤差。然而，閉環(huán)控制結構比較復雜，成本較高，難以實現(xiàn)。

2)速度伺服系統(tǒng)

通常被驅動機具的負載力矩是經(jīng)常變化的,供電電源的電壓和頻率也是經(jīng)常變化的,那么,被驅動對象的運行速度通常也是變化的。因此,速度伺服系統(tǒng)主要任務是保持被驅動的機具 (或稱負載) 在所需要的精確的速度 (絕不是1種速度) 下穩(wěn)定運行。

(2)按照其執(zhí)行電動機的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)

1)直流伺服系統(tǒng)

直流伺服系統(tǒng)指的就是伺服電機是采用直流電機的伺服系統(tǒng)。

2)交流伺服系統(tǒng)

交流伺服系統(tǒng)主要由交流伺服驅動器(或稱控制器)和交流伺服電動機組成，系統(tǒng)以驅動器為核心，驅動控制交流伺服電動機的運轉，轉矩、速度或位置的閉環(huán)控制使系統(tǒng)動態(tài)性能和靜態(tài)性能優(yōu)異。工業(yè)機器人有4大組成部分，分別為本體、伺服、減速器和控制器。而其中，工業(yè)機器人電動伺服系統(tǒng)的一般結構為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對于交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數(shù)進行人工設定而實現(xiàn)位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(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(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)是以變頻技術為基礎發(fā)展起來的產(chǎn)品，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)除了可以進行速度與轉矩控制外，還可以進行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復現(xiàn)某個給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動系統(tǒng)。

狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)，其被控制量(輸出量)是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量(輸入量)作任意變化時，系統(tǒng)的主要任務是使輸出量快速而準確地復現(xiàn)給定量的變化。

伺服系統(tǒng)的結構組成

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。

伺服系統(tǒng)組成原理框圖

1、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計算機或PID(比例、積分和微分)控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4、被控對象

被控對象指被控制的物件，例如一個機械手 臂，或是一個機械工作平臺。

5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。

伺服系統(tǒng)的特點和功用

伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質上差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成，具有以下特點：

必須具備高精度的傳感器，能準確地給出輸出量的電信號。

功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。

足夠大的調速范圍及足夠強的低速帶載性能。

快速的響應能力和較強的抗干擾能力。