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

 

廣義的伺服系統是精確地跟蹤或復現某個(gè)給定過(guò)程的控制系統，也可稱(chēng)作隨動(dòng)系統。

 

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

 

 

 

機電一體化的伺服控制系統的結構、類(lèi)型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環(huán)節、檢測環(huán)節、比較環(huán)節等五部分。

 

 

 

1、比較環(huán)節

 

比較環(huán)節是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節，通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計算機來(lái)實(shí)現。

 

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(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執行元件按要求動(dòng)作。

 

3、執行環(huán)節

 

執行環(huán)節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(dòng)被控對象工作。機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動(dòng)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(gè)機械手 臂，或是一個(gè)機械工作平臺。

 

5、檢測環(huán)節

 

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

 

 

伺服系統與一般機床的進(jìn)給系統有本質(zhì)上差別，它能根據指令信號精確地控制執行部件的運動(dòng)速度與位置。伺服系統是數控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節，是數控系統的重要組成，具有以下特點(diǎn)：

 

 

 

 

 

1、執行元件的種類(lèi)及其特點(diǎn)

 

（1）電氣式執行元件

 

電氣執行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進(jìn)電機以及電磁鐵等，是最常用的執行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩以外，一般還要求動(dòng)態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等。

 

（2）液壓式執行元件

 

液壓式執行元件主要包括往復運動(dòng)油缸、回轉油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見(jiàn)。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn)。

 

（3）氣壓式執行元件

 

氣壓式執行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執行元件沒(méi)有區別。氣壓驅動(dòng)雖可得到較大的驅動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場(chǎng)合使用。

 

三種類(lèi)型的區別

 

 

2、常用的控制用電機

 

控制用電機是電氣伺服控制系統的動(dòng)力部件。它是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。機電一體化產(chǎn)品中常用的控制用電機是指能提供正確運動(dòng)或較復雜動(dòng)作的伺服電機。

 

控制用電機有回轉和直線(xiàn)驅動(dòng)電機，通過(guò)電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實(shí)現定速、變速驅動(dòng)或反復啟動(dòng)、停止的增量驅動(dòng)以及復雜的驅動(dòng)，而驅動(dòng)精度隨驅動(dòng)對象的不同而不同。

 

（1）伺服驅動(dòng)電機一般是指：步進(jìn)電機（Stepping Motor）、直流伺服電機(DC Servo Motor)、交流伺服電機(AC Servo Motor)

 

 

（2）常用伺服控制電動(dòng)機的控制方式主要有：開(kāi)環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。

 

閉環(huán)系統的驅動(dòng)系統具有位置(或速度)反饋環(huán)節；開(kāi)環(huán)系統沒(méi)有位置與速度反饋環(huán)節。

 

a、開(kāi)環(huán)數控系統

 

沒(méi)有位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置→進(jìn)給系統），故系統穩定性好。

 

 

無(wú)位置反饋，精度相對閉環(huán)系統來(lái)講不高，其精度主要取決于伺服驅動(dòng)系統和機械傳動(dòng)機構的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機作為伺服驅動(dòng)元件。

 

這類(lèi)系統具有結構簡(jiǎn)單、工作穩定、調試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數控機床。

 

b、半閉環(huán)數控系統

 

半閉環(huán)數控系統的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅動(dòng)裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運動(dòng)部件的實(shí)際位置。

 

 

半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動(dòng)環(huán)節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開(kāi)環(huán)系統，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。但可對這類(lèi)誤差進(jìn)行補償，因而仍可獲得滿(mǎn)意的精度。

 

半閉環(huán)數控系統結構簡(jiǎn)單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。

 

c、全閉環(huán)數控系統

 

全閉環(huán)數控系統的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線(xiàn)所示，直接對運動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。

 

 

從理論上講，可以消除整個(gè)驅動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內的許多機械傳動(dòng)環(huán)節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線(xiàn)性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環(huán)系統的設計、安裝和調試都相當困難。

 

該系統主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車(chē)床、超精磨床以及較大型的數控機床等。

 

 

通常情況下，我們所說(shuō)的機器人伺服系統是指應用于多軸運動(dòng)控制的精密伺服系統。一個(gè)多軸運動(dòng)控制系統是由高階運動(dòng)控制器與低階伺服驅動(dòng)器所組成，運動(dòng)控制器負責運動(dòng)控制命令譯碼、各個(gè)位置控制軸彼此間的相對運動(dòng)、加減速輪廓控制等等，其主要作用在于降低整體系統運動(dòng)控制的路徑誤差;伺服驅動(dòng)器負責伺服電機的位置控制，其主要作用在于降低伺服軸的追隨誤差。

 

機器人的伺服系統由伺服電機、伺服驅動(dòng)器、指令機構三大部分構成，伺服電機是執行機構，就是靠它來(lái)實(shí)現運動(dòng)的，伺服驅動(dòng)器是伺服電機的功率電源，指令機構是發(fā)脈沖或者給速度用于配合伺服驅動(dòng)器正常工作的。

 

 

機器人對伺服電機的要求比其它兩個(gè)部分都高。首先要求伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應短。響應指令信號的時(shí)間愈短，電伺服系統的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電機的機電時(shí)間常數的大小來(lái)說(shuō)明伺服電機快速響應的性能。其次，伺服電機的起動(dòng)轉矩慣量比要大。在驅動(dòng)負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動(dòng)轉矩大，轉動(dòng)慣量小。最后，伺服電機要具有控制特性的連續性和直線(xiàn)性，隨著(zhù)控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時(shí)還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。

 

當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。還要經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時(shí)間內承受數倍過(guò)載。

 

伺服驅動(dòng)器是可利用各種電機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅動(dòng)機器人本體以獲得機器人的各種運動(dòng)的執行機構，具有轉矩轉動(dòng)慣量比高、無(wú)電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在機器人中應用比較廣泛。

 

 

隨著(zhù)伺服系統的應用越來(lái)越廣，用戶(hù)對伺服驅動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高?？偟膩?lái)說(shuō)，伺服系統的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個(gè)方面：

 

 

集成化：伺服控制系統的輸出器件越來(lái)越多地采用開(kāi)關(guān)頻率很高的新型功率半導體器件，這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中，構成高精度的全閉環(huán)調節系統。高度的集成化顯著(zhù)地縮小了整個(gè)控制系統的體積。

 

智能化：伺服系統的智能化表現在以下幾個(gè)方面:系統的所有運行參數都可以通過(guò)人機對話(huà)的方式由軟件來(lái)設置;它們都具有故障自診斷與分析功能;參數自整定的功能等。帶有自整定功能的伺服單元可以通過(guò)幾次試運行，自動(dòng)將系統的參數整定出來(lái)，并自動(dòng)實(shí)現其最優(yōu)化。

 

網(wǎng)絡(luò )化：伺服系統網(wǎng)絡(luò )化是綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結合的產(chǎn)物。

 

簡(jiǎn)易化：這里所說(shuō)的“簡(jiǎn)”不是簡(jiǎn)單而是精簡(jiǎn)，是根據用戶(hù)情況，將用戶(hù)使用的伺服功能予以強化，使之專(zhuān)而精，而將不使用的一些功能予以精簡(jiǎn)，從而降低了伺服系統成本，為客戶(hù)創(chuàng )造更多的收益。

 

機器人的工作表現受伺服系統影響極大，因而精密伺服系統的關(guān)鍵性能指標永遠都是先進(jìn)性比較的首要因素。國外先進(jìn)伺服系統已經(jīng)能夠很好地適應絕大多數應用的需求，其研發(fā)資源集中在個(gè)別高端應用及整體性能提升方面，處于精雕細刻階段。在工業(yè)4.0的大背景下，國產(chǎn)伺服任重而道遠，還需努力追趕。

 

本文轉載自傳感器技術(shù)。