[分享]伺服系統

伺服系統(servomechanism)是使物體的位置、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、速度和位置控制的非常靈活方便。

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 伺服系統是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。又稱隨動系統。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）。伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。


 伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件組成，高性能的伺服系統還有檢測裝置，用來反饋實際的輸出狀態。
 在交流伺服系統中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機（PMSM）和感應異步交流伺服電機（IM），其中永磁同步電機具備十分優良的低速性能，可以實現弱磁高速控制，具有調速范圍寬廣、動態特性和效率高的優點，已經發展成為伺服系統的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、價格低廉，但在特性與效率上與永磁同步電機存在差距，只在大功率場合得到重視。 　　伺服系統最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統主要是為了達到下面幾個目的：
 ①以小功率指令信號去控制大功率負載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。
 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。


技術要求
1、系統精度
 伺服系統精度指的是輸出量復現輸入信號要求的精確程度,以誤差的形式表現,可概括為動態誤差,穩態誤差和靜態誤差三個方面組成.
2、穩定性
 伺服系統的穩定性是指當作用在系統上的干擾消失以后,系統能夠恢復到原來穩定狀態的能力;或者當給系統一個新的輸入指令后,系統達到新的穩定運行狀態的能力.
3、響應特性
 響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度,決定了系統的工作效率.響應速度與許多因素有關,如計算機的運行速度,運動系統的阻尼和質量等.
4、工作頻率
 工作頻率通常是指系統允許輸入信號的頻率范圍.當工作頻率信號輸入時,系統能夠按技術要求正常工作;而其它頻率信號輸入時,系統不能正常工作。
 伺服系統按所用驅動元件的類型可分為機電伺服系統、液壓伺服系統和氣動伺服系統。
 最基本的伺服系統包括伺服執行元件（電機、液壓缸等）、反饋元件和伺服驅動器，但是要讓這個系統運轉起來還需要一個上位機構，PLC，專門的運動控制卡，工控機+PCI卡，以便于給伺服驅動器發送指令。

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交流伺服系統的發展趨勢
 ● 高效率化
 盡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優化，加減速運動的優化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。
 ● 直接驅動
直線電機容易改變形狀的特點可以使采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
 采用更高精度的編碼器（每轉百萬脈沖級），更高采樣精度和數據位數、速度更快的DSP，無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機，以及應用自適應、人工智能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能化電機（Smart Motor），有時我們把集成了運動控制和通訊的驅動器叫智能化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、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菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設置成V/F 控制、無速度傳感器開環矢量控制、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，適用于各種場合，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傳感器構成高精度全閉環控制系統。
 ● 智能化
 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，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。
 ● 網絡化和模塊化
 將現場總線和工業以太網技術、甚至無線網絡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。隨著國內對大規模分布式控制裝置的需求上升，高檔數控系統的開發成功，網絡化數字伺服的開發已經成為當務之急。模塊化不僅指伺服
 ● 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并采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，并采取預防性措施。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傳感器，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
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，并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。