伺服系統

　　伺服(Servo)一詞源自希臘的 “Servus”，意為“奴隸”。伺服是運動控制系統中的重要術語，指運動控制系統中的執行機構像奴隸一樣，跟隨外部指令忠實的執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。

　　伺服系統是隨動系統的一種，當被控量是位置或位置的導數（速度、加速度）時，隨動系統稱為伺服系統。

　　GB/T 16439 2009交流伺服系統通用技術條件相關定義

　　交流伺服系統（AC sevo system）

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

　　交流伺服系統由交流伺服驅動器、交流伺服電動機和傳感三個部分組成。

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

　　交流伺服系統按其所用的電動機可分為：異步電動機伺服系統和永磁同步電動機伺服系統。

　　交流伺服控制系統按照控制方式可分為位置控制伺服系統、速度控制伺服系統和轉矩控制伺服系統。

　　伺服系統由伺服驅動器，和伺服電機及相關傳感測試裝置構成，圖1為伺服控制系統的典型構成原理。

圖1．伺服系統典型構成

1、正反轉速差率

2、轉速調整率

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

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

3、轉矩波動系數

　　伺服系統穩態運行時，對電動機施加恒定負載，瞬時轉矩的最大值為T_max，最小是為T_min，則轉矩波動系數K_fT為：

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

　　式中：

　　K_fT——轉矩波動系數；

　　T_max——瞬態轉矩的最大值，N?m；

　　T_min——瞬態轉矩的最小值，N?m。

3、轉速波動系數

　　伺服系統穩態運行時，瞬時轉速的最大值為n_max，則轉速波動系數K_fn為：

4、伺服系統調速比

5、頻帶寬度

6、靜態剛度

　　位置伺服系統處于空載零速工作狀態，對電動機軸端正轉方向和反轉方向施加連續轉矩T0，測量出轉角的偏移量?θ，則靜態剛度K_s為;

　　K_s=T_0/?θ…………（6）

　　式中：

　　K_s——靜態剛度，N?m/(′)；

　　T_0——連續轉矩，N?m；

　　?θ——轉角的偏移量，（′）。

7、慣量適應范圍

　　伺服系統在不影響自身穩定性和調速比的前提下所能帶的慣量負載的范圍（一般以電動機的轉子慣量的倍數表示）。

8、動態位置跟蹤誤差

　　伺服系統對輸入信號的瞬態響應過程中，位置指令值與位置反饋值之差。

9、系統效率

　　電動機的輸出機械功率與驅動器的輸入有功功率之比。

　　為了適應數字控制系統的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在給定方式上非常相似（如：脈沖信號或數字設定），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。

　　注：由于伺服電機一般需要與伺服控制器一起構成系統，以下對比中所述的伺服電機的相關性能，均與控制器有關。

1、伺服電機的控制精度優于步進電機

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

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

2、伺服電機低速特性優于步進電機

　　步進電機在低速時易出現低頻振動現象。伺服電機在低速時仍能平穩運行。

3、伺服電機的矩頻特性優于步進電機

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

4、伺服電機的過載能力優于步進電機

　　步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的超速或過轉矩能力。其最大轉矩可達到額定轉矩的三倍甚至更高。

5、伺服電機的運行性能優于步進電機

　　步進電機一般采用開環控制，啟動頻率過高或負載過大時易出現丟步或堵轉的現象；停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。伺服電機一般采用閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，不會出現丟步或過沖現象，控制性能更為可靠。

6、伺服電機響應速度優于步進電機

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

　　綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。然而，對于要求不高的伺服系統，也可以作為選用步進電機作為執行機構。