正文

1 伺服簡介
1.1 伺服的定義“伺服（Servo）機構” 一詞的詞源來自拉丁語中的“Servo”，即“奴隸”的意思，表示完全按照指令行動而構建的控制系統。日本工業規格（JIS）“伺服機構”的定義：以物體的位置、方位、姿勢等作為控制量，為跟蹤目標的任何變化而構建的控制系統。1.2 伺服的作用

利用伺服機構可進行位置、速度、轉矩的單項控制及組合控制。其實現既靈敏又高精度的動作，始終確認自己的動作狀態，避免與指令發生偏差而不斷進行反饋（feedback）。其中，如何進行控制以縮小指令信號與反饋信號之差至關重要。

1.3 伺服的構成

伺服機構大致由下列各部分組成。

實際的機構也有液壓式和氣壓式的，但被廣泛使用的是維護性能優良的電氣式伺服機構。在工廠自動化（Factory Automation）相關的精密控制中，經常使用是一種交流（AC）伺服系統的電氣式伺服機構。伺服電機常帶有可檢測旋轉角度、速度和方向的編碼器，它可將檢測信息反饋給伺服放大器（控制部）。2 伺服電機種類

普通的伺服電機有同步（SM）型AC伺服電機、感應（IM）型AC伺服電機和DC伺服電機3種。與FA相關的尤其是需求量大的中、小容量伺服電機，通常指SM型AC伺服電機。

3 編碼器種類編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。

按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；

按照工作原理編碼器可分為增量式和juedui式兩類。

增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。

juedui式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

Zui新的伺服電機多采用停電后無需進行原點復歸的juedui編碼器。juedui編碼器中有檢測電機旋轉1圈內所處位置的juedui位置檢測部和計算旋轉了幾圈的多圈檢測部。為了防止多圈檢測數據在停電時丟失，由電池維持數據。

下圖為光學式編碼器的原理說明。各廠家對分辨率極高（超過100萬［脈沖/轉］）的編碼器實現了產品化。通常，光學式編碼器用于追求小型化或高分辨率等特性的應用領域，在特別追求耐環境性能（耐污染性能強等）的應用領域，有時也使用磁力式編碼器。

4 伺服的原理

伺服系統的Zui大特點是“比較指令值與當前值，為了縮小該誤差”進行反饋控制。反饋控制中，確認機械（控制對象）是否忠實地按照指令進行跟蹤，有誤差（偏差）時改變控制內容，并將這一過程進行反復控制，以到達目標。該控制流程是：誤差→當前值→誤差，形成一個閉合的環，因此也稱為閉環（CLOSED LOOP）；反之，無反饋的方式，則稱為開環（OPEN LOOP）。

5 伺服的控制環

從信號的流程看，伺服的控制環構成如下圖所示。

在AC伺服系統中，對裝在伺服電機上的編碼器所發出的脈沖信號或伺服電機的電流進行檢測，將結果反饋至伺服放大器，并根據這個結果按照指令來控制機械。該反饋有以下3種環。

  

各環都朝著使指令信號與反饋信號之差為零的目標進行控制。

各環的響應速度按下述順序漸高。

位置環 ＜ 速度環 ＜ 電流環

各控制模式中使用的環如下所示。

  

6 伺服的控制模式

根據指令值的不同，伺服系統的控制模式有以下3種。

位置控制模式。

速度控制模式。

轉矩控制模式。

6.1 位置控制模式6.1.1 定位控制的目標FA設備中的“定位”是指工件或工具（鉆頭、銑刀）等以合適的速度向著目標位置移動，并高精度地停止在目標位置。這樣的控制稱為“定位控制”。可以說伺服系統主要用來實現這種“定位控制”的目的。

定位控制的要求是“始終正確地監視電機的旋轉狀態”，為了達到此目的而使用檢測伺服電機旋狀態的編碼器。而且，為了使其具有迅速跟蹤指令的能力，伺服電機選用體現電機動力性能的起動轉矩大而電機本身慣性小的專用電機。

  

6.1.2 定位控制的特點

伺服系統的定位控制基本特點為：

機械的移動量與指令脈沖的總數成正比。

機械的速度與指令脈沖串的速度（脈沖頻率）成正比。

Zui終在±1個脈沖的范圍內定位完成，此后只要不改變位置指令，則始終保持在該位置（伺服鎖定功能）。

伺服系統中的位置精度由以下各項決定：

伺服電機每轉1圈機械的移動量。

伺服電機每轉1圈編碼器輸出的脈沖數。

機械系統中的間隙（松動）等誤差。

  

6.2 速度控制模式伺服系統的速度控制特點：可實現“精細、速度范圍寬、速度波動小”的運行。（1）軟起動、軟停止功能

可調整加減速運動中的加速度（速度變化率），避免加速、減速時的沖擊。

  

（2）速度控制范圍寬可進行從微速到高速的寬范圍的速度控制。（1：1000～5000左右）速度控制范圍內為恒轉矩特性。（3）速度變化率小即使負載有變化，也可進行小速度波動的運行。6.3 轉矩控制模式轉矩控制就是通過控制伺服電機的電流，以達到輸出目標轉矩的控制。

下圖為收卷控制示意。

  

進行恒定的張力控制時，由于負載轉矩會因收卷滾筒半徑的增大而增加，因此，需據此對伺服電機的輸出轉矩進行控制。

卷繞過程中材料斷裂時，將因負載變輕而高速旋轉，因此，必須設定速度限制值。

  

感謝步科和互聯網。

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