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(dá)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(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動；
3、使輸出機(jī)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(jìn)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(jī)、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(jī)技術(shù)憑借其優(yōu)異的性價比，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。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(jìn)，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(jī)床、包裝機(jī)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(dá)到39.9億元。
很多有遠(yuǎn)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(jìn)而擴(kuò)大其品牌的號召力，國產(chǎn)伺服廠商改變進(jìn)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(dá)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(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動機(jī)（簡稱直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動機(jī)（簡稱交流電機(jī)）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(dá)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(dá)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(jī)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(jī)能夠根據(jù)自身的需要對供給進(jìn)行快速的調(diào)整，能夠有效提高注塑機(jī)的電能的利用率，從而達(dá)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(jī)。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(jī)之上，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機(jī)所需的交流電或直流電；電動機(jī)則按供電大小拖動機(jī)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(jī)（簡稱伺服電機(jī)）：用于和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)及高靈敏度測速機(jī)，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(dá)到50赫，并成功應(yīng)用在遠(yuǎn)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(jī)、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(jī)）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(jī)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(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷*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(jī)。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(jī)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(jī)同直流伺服電動機(jī)比較：
主要優(yōu)勢：
1、無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)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(jìn)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(jī)，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(jìn)行，但是仍需要繼續(xù)加強(qiáng)。主要包括電機(jī)本身的率比如永磁材料性能的改進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動和采用直線電機(jī)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(jī)容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機(jī)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(jī)、直線電機(jī)，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(jī)、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(jī)叫智能化電機(jī)（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(jī)、驅(qū)動和控制的集成使三者從設(shè)計、制造到運行、維護(hù)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(jī)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(jī)，比如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，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(jī)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(jìn)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(jī)的參數(shù)，自動測定編碼器零位，有些則能自動進(jìn)行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補(bǔ)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(hù)：隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)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(kuò)大化）已經(jīng)落伍，新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測性維護(hù)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(jī)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(jī)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(jī)還是步進(jìn)電機(jī)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(jī)種，已經(jīng)看到500KW永磁伺服電機(jī)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(jī)技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機(jī)實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強(qiáng)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(jī)（執(zhí)行元件）。交流伺服電機(jī)的變速比已達(dá)1∶10000，使用日益增多。無刷電機(jī)因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機(jī)高兩倍，維護(hù)也較方便，常用于高速數(shù)控機(jī)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(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)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(jī)）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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進(jìn)電機(jī)一般為開環(huán)控制而無法準(zhǔn)確定位，電動機(jī)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(jī)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(hù)保養(yǎng)問題。新型的永磁交流伺服電機(jī)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*。