伺服系統(tǒng)

　　伺服(Servo)一詞源自希臘的 “Servus”，意為“奴隸”。伺服是運動控制系統(tǒng)中的重要術(shù)語，指運動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)像奴隸一樣，跟隨外部指令忠實的執(zhí)行人們所期望的運動，運動要素主要包括位置、速度、加速度和力矩或扭矩。

　　伺服系統(tǒng)是隨動系統(tǒng)的一種，當(dāng)被控量是位置或位置的導(dǎo)數(shù)（速度、加速度）時，隨動系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)。

　　GB/T 16439 2009交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件相關(guān)定義

　　交流伺服系統(tǒng)（AC sevo system）

　　以交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件，使物體的位置/角度、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)變量能夠跟隨輸入控制信號目標(biāo)值（或給定值）任意變化的自動控制系統(tǒng)。

　　交流伺服系統(tǒng)由交流伺服驅(qū)動器、交流伺服電動機(jī)和傳感三個部分組成。

　　交流伺服驅(qū)動器按其控制電路和軟件的實現(xiàn)方式可分為模擬量控制、數(shù)字模擬混合控制和全數(shù)字化控制。

　　交流伺服系統(tǒng)按其所用的電動機(jī)可分為：異步電動機(jī)伺服系統(tǒng)和永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)。

　　交流伺服控制系統(tǒng)按照控制方式可分為位置控制伺服系統(tǒng)、速度控制伺服系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩控制伺服系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器，和伺服電機(jī)及相關(guān)傳感測試裝置構(gòu)成，圖1為伺服控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成原理。

圖1．伺服系統(tǒng)典型構(gòu)成

1、正反轉(zhuǎn)速差率

2、轉(zhuǎn)速調(diào)整率

　　伺服系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速條件下，僅電源電壓變化，或僅環(huán)境溫度變化，或僅負(fù)載變化，電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)速變化值與額定轉(zhuǎn)速的百分比分別叫做電壓變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率、溫度變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率、負(fù)載變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率。按式（2）計算轉(zhuǎn)速調(diào)整率。

　　?n= (|n_i-n_N |)/n_N ×100%   i=1,2…………（2）

3、轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)

　　伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，對電動機(jī)施加恒定負(fù)載，瞬時轉(zhuǎn)矩的最大值為T_max，最小是為T_min，則轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)K_fT為：

　　K_fT=(T_max-T_min)/(T_max-T_min )×100%…………（3）

　　式中：

　　K_fT——轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)；

　　T_max——瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的最大值，N?m；

　　T_min——瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的最小值，N?m。

3、轉(zhuǎn)速波動系數(shù)

　　伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，瞬時轉(zhuǎn)速的最大值為n_max，則轉(zhuǎn)速波動系數(shù)K_fn為：

4、伺服系統(tǒng)調(diào)速比

5、頻帶寬度

6、靜態(tài)剛度

　　位置伺服系統(tǒng)處于空載零速工作狀態(tài)，對電動機(jī)軸端正轉(zhuǎn)方向和反轉(zhuǎn)方向施加連續(xù)轉(zhuǎn)矩T0，測量出轉(zhuǎn)角的偏移量?θ，則靜態(tài)剛度K_s為;

　　K_s=T_0/?θ…………（6）

　　式中：

　　K_s——靜態(tài)剛度，N?m/(′)；

　　T_0——連續(xù)轉(zhuǎn)矩，N?m；

　　?θ——轉(zhuǎn)角的偏移量，（′）。

7、慣量適應(yīng)范圍

　　伺服系統(tǒng)在不影響自身穩(wěn)定性和調(diào)速比的前提下所能帶的慣量負(fù)載的范圍（一般以電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量的倍數(shù)表示）。

8、動態(tài)位置跟蹤誤差

　　伺服系統(tǒng)對輸入信號的瞬態(tài)響應(yīng)過程中，位置指令值與位置反饋值之差。

9、系統(tǒng)效率

　　電動機(jī)的輸出機(jī)械功率與驅(qū)動器的輸入有功功率之比。

　　為了適應(yīng)數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在給定方式上非常相似（如：脈沖信號或數(shù)字設(shè)定），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。

　　注：由于伺服電機(jī)一般需要與伺服控制器一起構(gòu)成系統(tǒng)，以下對比中所述的伺服電機(jī)的相關(guān)性能，均與控制器有關(guān)。

1、伺服電機(jī)的控制精度優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)

　　兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°，某些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角可達(dá)0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°。 

　　伺服電機(jī)的控制精度取決于旋轉(zhuǎn)編碼器。以采用四倍頻技術(shù)的2500線編碼器的電機(jī)而言，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對于17位編碼器的伺服電機(jī)而言，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072≈0.003°（約10″）。

2、伺服電機(jī)低速特性優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。伺服電機(jī)在低速時仍能平穩(wěn)運行。

3、伺服電機(jī)的矩頻特性優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制，在額定轉(zhuǎn)速以上實現(xiàn)恒功率控制。

4、伺服電機(jī)的過載能力優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強的超速或過轉(zhuǎn)矩能力。其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍甚至更高。

5、伺服電機(jī)的運行性能優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)一般采用開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。伺服電機(jī)一般采用閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，不會出現(xiàn)丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

6、伺服電機(jī)響應(yīng)速度優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)從靜止到額定轉(zhuǎn)速（一般幾百轉(zhuǎn)每分）一般需要幾百毫秒。交流伺服電機(jī)從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速（如：3000轉(zhuǎn)每分）僅需幾毫秒。

　　綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。然而，對于要求不高的伺服系統(tǒng)，也可以作為選用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。