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(一)伺服系統綜述1、伺服運動控制系統的機理

一個伺服系統的構成通常包含受控體(plant)、致動器(actuator)、傳感器(sensor)控制器(controller)等幾個部分。受控體系指被控制的物件。致動器包含了馬達與功率放大器，例如應用于伺服系統的特別設計馬達稱之為伺服馬達(servo motor)，其裝置內含位置回授裝置，如光電編碼器(opticalencoder)或是解角器(resolver)。一個傳統伺服機構系統的組成，伺服驅動器主要包含功率放大器與伺服控制器。結構如圖1-1所示。

圖1-1 伺服系統構成主要部分圖

交流伺服系統安照不同的標準具有不同的分類。伺服系統按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統、交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統；按控制方式劃分，有開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統等；按反饋比較控制方式劃分，有脈沖、數字比較伺服系統、相位比較伺服系統、幅值比較伺服系統、全數字伺服系統。

伺服系統有精確度高、豐富的反饋方式、伺服電機高性能、速度調節范圍寬等特點。

1.1伺服運動控制控制器論述

? ◆開環系統

圖1-2是開環系統構成圖，它主要由驅動電路、執行元件和被控對象三大部分組成。由于該系統通常使用步進電機作為執行元件，也沒有加入反饋控制，故精度較低。

圖1-2 開環系統構成圖

??◆半閉環系統

半閉環系統沒有位置反饋，但有速度反饋的私服系統。此類系統只是把伺服電機的輸出作為反饋，并不能補償機床等閉環外的傳動誤差，故其精度沒有閉環高，但由于其易于實現和調試，因而得到廣泛使用。如圖1-3所示。

圖1-3 半閉環系統構成圖

??◆?閉環系統

閉環系統主要由執行元件、檢測單元、比較環節、驅動電路和被控對象5部分組成。其構成框圖如圖1-4所示。由于其把檢測元件安裝在被控對象上，故其構成的閉環系統能夠補償電機和被控對象之間的誤差，使得該系統精度更高。

圖1-4 閉環系統構成圖

1.2伺服電機介紹

電機是一種機電能量轉換裝置。按繞組中流過電流的性質可分為直流電機或交流電機。電機中主磁場的建立可以是通電繞組產生，也可以是由永磁體產生的。由永磁體建立主磁場的電機稱為永磁電機。當人們對電機的要求不僅限于滿足其驅動性能的靜態力能指標，還有動態的控制性能要求時，這就屬于伺服電機的概念，它強調的是電機的可控性，如調速性、能力等，重點關注的是電機的各種參數、運行范圍、加(減)速特性、轉速和力矩波動等精度和動態品質。因此伺服電機是電氣伺服系統的核心部件。目前，伺服電機有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機三大類。

1.3伺服運動控制系統傳感器介紹

伺服系統檢測環節的主要任務是將被控物理量實時感知并將其轉換為可用的標準電量。其結構圖如1-5所示。

圖1-5檢測環節的一般結構圖

交流伺服系統中使用的傳感器和傳感技術就是將與執行電機或控制對象相關的電流、速度、位置、加速度、溫度等各種旋轉的或直線的機械、電氣等輸出量反饋給驅動控制器，使之與輸入的命令進行比較，驅動控制器根據這些信息做出決定，發布指令，指示執行電機完成相應動作。

按照系統的工作狀態可以把用于伺服系統的傳感器大致分為位置傳感器和速度傳感器加速度傳感器、電流傳感器等。其中，可以用來檢測系統行進的位置的位置傳感器有光電位置傳感器件(PSD)、電耦合器件(CCD)、光纖傳感器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵傳感器、磁尺(磁柵)傳感器等；用來檢測系統的行進速度的速度傳感器有旋轉變壓器、脈沖編碼器、光電傳感器件等。

2、伺服控制系統在工業機器人領域的應用

機器人電動伺服驅動系統是利用各種電動機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執行機構。

對工業機器人關節驅動的電動機，要求有最大功率質量比和扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩定性，并且具有較大的短時過載能力。這是伺服電動機在工業機器人中應用的先決條件。

2.1機器人對關節驅動電機的主要要求

1．快速性。電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應短。

2．起動轉矩慣量比大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉矩大，轉動慣量小。

3．控制特性的連續性和直線性。

4．調速范圍寬。能使用于 1：1000～10000 的調速范圍。

5．體積小、質量小、軸向尺寸短。

6．能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載。

2.2電機分類和傳感部分

1．交流伺服電動機。

2．直流伺服電動機。

3．步進電動機。

速度傳感器多采用測速發電機和旋轉變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉變壓器。近年來，國外機器人制造廠家已經在使用一種集光電碼盤及旋轉變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動機可與位置及速度檢測器、制動器、減速機構組成伺服電動機驅動單元。

機器人驅動系統要求傳動系統間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大。

2.3工業機器人系統構成

工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。其驅動原理圖如圖2-1所示。特點有：驅動器能夠滿足各種工程的要求；它能夠靈活、方便地接受控制器的控制指令，實現轉矩、位置和速度的控制；能夠進行頻繁地起、制動和反轉切換等重復運行；具有良好的穩定性，并能對控制指令實行快速響應；運動部件的慣量應盡可能小些；要求整體裝置體積小、重量輕。

圖2-1?工業機器人驅動系統原理圖

3、伺服控制系統及其應用的發展綜述

3.1交流伺服系統發展現狀

1.伺服電機。目前由于新材料的發展，使得伺服電機正在朝著超小、和極大方向發展。加上更先進位置編碼器的使用，提高了其通信效率。整體性能大大提升。

2.伺服控制器。由于傳統的模擬控制存在系統調試困難、易產生漂移、不易復雜計算，無法實現現代控制算法等缺點，隨著伺服系統的發展，傳統的模擬控制逐步為采用全數字化結構，伺服控制系統以現代矢量控制思想實現了電流向量的幅值控制和相位控制的現代伺服系統取代。

3.上位機系統。隨著科技的發展和生產工藝的提高，工業生產對于機械化設備的高速度、高精度和小型化的要求越來越高，因此上位機控制群的應用越來越廣泛

3.2交流伺服系統發展方向

1.數字化。隨著數字技術和微處理技術的不斷進步，以模擬電子器件為主的伺服控制單元將會被采用全數字處理器的伺服控制單元全面取代，從而實現伺服系統全數字化。在伺服控制方面將逐步轉變為軟件控制，以便在伺服系統中應用現代先進的控制方法。

2.高集成化。下一代伺服系統將采用高集成化的多功能控制單元。對每一個控制單元，均可以通過軟件對系統參數進行重新設置，以改變伺服系統的性能適應不同用戶的需求，既可以使用內置的傳感器構成半閉環調節系統，又可以通過接口連接外部傳感器構成全閉環調節系統。

3.智能化。智能化是目前自動控制的一個發展方向，因此伺服驅動系統智能化是一種必然趨勢。最新伺服控制單元的智能化特點主要有：①參數記憶功能；②故障自查與分析功能；③參數自整定的功能。新一代的伺服單元能夠通過試運行自動進行系統的參數整定和優化。

4.模塊化和網絡化。為適應工廠自動化的迅猛發展，最新的伺服系統都配置了標準的串行通信及局域網接口。以便增強伺服單元與其它控制設備的互聯能力。

4、對于伺服系統的認識

通俗的來講，伺服系統就是一個伺服電機加一個能夠控制電機的驅動器，其目的在于精確的控制電機的運動。變頻技術的發展為電機調速提供了實用技術，而伺服則是在變頻技術基礎上發展出來的更進一步的產品。通過速度和位置的反饋閉環控制使得伺服系統的精度和穩定性得到了很大的提高，既可以完成精度要求極其苛刻的工作，也可以在低速的狀態下保證功率和轉矩，滿足各種工業生產的需求。由于國內的人口紅利的降低和自動化技術的發展，未來工業的發展對自動化裝備的需求越來越大，而伺服系統是整個自動化裝備的基本支撐，對伺服電機的控制效果決定著整個自動化裝備的水平的高低。伺服驅動器的控制策略和電力電子調速技術、伺服電機的發展是伺服系統發展的核心。作為自動化專業人才，在研究方面應該著力于研究更好的電力電子調速技術以及結合控制理論開發出更好的控制策略；在應用方面應該結合伺服技術開發出更加符合生產需要、更加高效、更加友好使用的自動化裝備。

(二)伺服電機分類

1．按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。?

1.1直流電動機按結構及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。?
1.1.1有刷直流電動機可劃分：永磁直流電動機和電磁直流電動機。?　　
1.1.1.1電磁直流電動機劃分：串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。?　　
1.1.1.2永磁直流電動機劃分：稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。?　　
1.2其中交流電機還可分：單相電機和三相電機。?　　

2．按結構和工作原理劃分：可分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。?　

2.1同步電機可劃分：永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。?
2.2異步電機可劃分：感應電動機和交流換向器電動機。?　　
2.2.1感應電動機可劃分：三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。
2.2.2交流換向器電動機可劃分：單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。

3．按起動與運行方式劃分：電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。?　

　4．按用途劃分：驅動用電動機和控制用電動機。?

4.1驅動用電動機劃分：電動工具(包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具)用電動機、家電(包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風、電動剃須刀等)用電動機及其它通用小型機械設備(包括各種小型機床、小型機械、醫療器械、電子儀器等)用電動機。

4.2控制用電動機又劃分：步進電動機和伺服電動機等。?　

　5．按轉子的結構劃分：籠型感應電動機(舊標準稱為鼠籠型異步電動機)和繞線轉子感應電動機(舊標準稱為繞線型異步電動機)。?

　　6．按運轉速度劃分：高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。

低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。

調速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變速電動機和無級變速電動機外，還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變頻調速電動機和開關磁阻調速電動機。?

異步電動機的轉子轉速總是略低于旋轉磁場的同步轉速。同步電動機的轉子轉速與負載大小無關而始終保持為同步轉速。

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總結

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