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1基本釋義

伺服系統(tǒng)是指利用某一部件（如控制桿）的作用能使系統(tǒng)所處的狀態(tài)到達或接近某一預(yù)定值,并能將所需狀態(tài)（所需值）和實際狀態(tài)加以比較,依照它們的差別（有時是這一差別的變化率）來調(diào)節(jié)控制部件的自動控制系統(tǒng)。^[2] 

2主要作用

1、以小功率指令信號去控制大功率負(fù)載；

2、在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動；

3、使輸出機械位移地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。

3發(fā)展歷史

伺服（Servo）是ServoMechanism一詞的簡寫，來源于希臘，其含義是奴隸，顧名思義，就是指系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)展歷程，從早的液壓、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(tǒng)已經(jīng)走過了近50個年頭。

如今，隨著技術(shù)的不斷成熟，交流伺服電機技術(shù)憑借其優(yōu)異的性價比，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機。交流伺服系統(tǒng)技術(shù)的成熟也使得市場呈現(xiàn)出快速的多元化發(fā)展，并成為工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)之一。

4我國現(xiàn)狀

我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的不斷推進，為我國伺服產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的市場，近年來，隨著數(shù)控機床、包裝機械、電子專用設(shè)備等行業(yè)繼續(xù)保持較好發(fā)展以及交流伺服技術(shù)的日益成熟，新興行業(yè)如新能源行業(yè)中的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)伺服技術(shù)的應(yīng)用使得我國伺服市場迅速發(fā)展，2010年，我國伺服市場同比增長39.7%，市場規(guī)模達到39.9億元。

很多有遠識的國產(chǎn)廠商正加大研發(fā)力度提升其產(chǎn)品的性能，進而擴大其品牌的號召力，國產(chǎn)伺服廠商改變進口壟斷格局將指日可待。由此預(yù)測，未來五年，我國伺服系統(tǒng)行業(yè)受益于產(chǎn)業(yè)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(tǒng)行業(yè)市場規(guī)模有望突破100億元，其中，國產(chǎn)伺服產(chǎn)品的*將達到40%左右。

5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，有步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機（簡稱直流電機）伺服系統(tǒng)、交流電動機（簡稱交流電機）伺服系統(tǒng)。

6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)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(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程度。作為精密加工的數(shù)控機床，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)，注塑機能夠根據(jù)自身的需要對供給進行快速的調(diào)整，能夠有效提高注塑機的電能的利用率，從而達到節(jié)能。

7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。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之上，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。

8主要特點

1、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（簡稱伺服電機）：用于和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機床，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。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機械運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，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主運動要求調(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)。

9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)展了力矩電機及高靈敏度測速機，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，使帶寬達到50赫，并成功應(yīng)用在遠程導(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、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）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。

10典型機型

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

伺服系統(tǒng)

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，各國電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(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。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同直流伺服電動機比較：

主要優(yōu)勢：

1、無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(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，因為電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

3、交流伺服驅(qū)動器可靠性不如直流伺服，因為板件太過于精密。

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*運動控制的要求，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*由軟件進行。

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，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)。

11發(fā)展趨勢

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊也不足為奇。國際廠商伺服產(chǎn)品每5 年就會換代，新的功率器件或模塊每2～2.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越來越短。總結(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看到以下一些新發(fā)展趨勢：^[3] 

率化：盡管這方面的工作早就在進行，但是仍需要繼續(xù)加強。主要包括電機本身的率比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，也包括驅(qū)動系統(tǒng)的率化，包括逆變器驅(qū)動電路的優(yōu)化，加減速運動的優(yōu)化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

直接驅(qū)動：直接驅(qū)動包括采用盤式電機的轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動和采用直線電機的線性伺服驅(qū)動，由于消除了中間傳遞誤差，從而實現(xiàn)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采用線性直線機構(gòu)的各種裝置實現(xiàn)小型化和輕量化。

高速、高精、高性能化：采用更高精度的編碼器（每轉(zhuǎn)百萬脈沖級），更高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的DSP，無齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機、直線電機，以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的指標(biāo)提高。

一體化和集成化：電動機、反饋、控制、驅(qū)動、通訊的縱向一體化成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。有時我們稱這種集成了驅(qū)動和通訊的電機叫智能化電機（Smart Motor），有時我們把集成了運動控制和通訊的驅(qū)動器叫智能化伺服驅(qū)動器。電機、驅(qū)動和控制的集成使三者從設(shè)計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)（如可靠性）和工程師使用習(xí)慣的挑戰(zhàn)，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(qū)動器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設(shè)置成V/F 控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)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，適用于各種場合，可以驅(qū)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(yīng)不同的傳感器類型甚至無位置傳感器。可以使用電機本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

智能化：現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進口驅(qū)動器都具備負(fù)載慣量測定和自動增益調(diào)整功能，有的可以自動辨識電機的參數(shù)，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(qū)動結(jié)合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。

網(wǎng)絡(luò)化和模塊化：將現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、甚至無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成到伺服驅(qū)動器當(dāng)中，已經(jīng)成為歐洲和美國廠商的常用做法。現(xiàn)代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向和各種總線標(biāo)準(zhǔn)競爭的焦點就是如何適應(yīng)高性能運動控制對數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內(nèi)對大規(guī)模分布式控制裝置的需求上升，數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。模塊化不僅指伺服驅(qū)動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅(qū)動器內(nèi)部軟件和硬件的模塊化和可重用。

從故障診斷到預(yù)測性維護：隨著機器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護技術(shù)（問題發(fā)生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化）已經(jīng)落伍，新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測性維護技術(shù)，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負(fù)載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)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(chǎn)品系列，但是為某種特定應(yīng)用場合專門設(shè)計制造的伺服系統(tǒng)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(jié)構(gòu)（SPM）和嵌入式永磁（IPM）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機出現(xiàn)，分割式鐵芯結(jié)構(gòu)工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產(chǎn)實現(xiàn)了率、大批量和自動化，并引起國內(nèi)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(fā)展，比如20，28，35mm 外徑；同時也在發(fā)展更大功率和尺寸的機種，已經(jīng)看到500KW永磁伺服電機的出現(xiàn)，體現(xiàn)了向兩極化發(fā)展的傾向。

發(fā)展方向：隨著生產(chǎn)力不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。

1、充分利用迅速發(fā)展的電子和計算機技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)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(tǒng)的性能，并為實現(xiàn)優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條件；

2、開發(fā)高精度、快速檢測元件；

3、開發(fā)高性能的伺服電機（執(zhí)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，常用于高速數(shù)控機床。

12主要應(yīng)用

伺服系統(tǒng)在數(shù)控加工中的作用及組成

在自動控制系統(tǒng)中，把輸出量能以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。
　　伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件（或稱執(zhí)行元件伺服電機）組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅(qū)動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)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(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

應(yīng)用趨勢

自動控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應(yīng)用器件上也日新月異。模塊化、數(shù)字化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環(huán)控制而無法準(zhǔn)確定位，電動機本身還有速度諧振區(qū)，pwm調(diào)速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調(diào)速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應(yīng)用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調(diào)速范圍寬，尤其是低速性能*。