[科普中国]-伺服机构

基本概念

伺服机构理论(servomechansim theory)起源于二次世界大战期间，美军为了发展具有自动控制功能的雷达追踪系统，委托了麻省理工学院发展控制机械系统的闭回路控制技术，以强化巡航导弹等导向武器精准度，此一发展奠定了后来伺服机构理论的基础。而微处理器及集成电路的不断进化，不仅带动了资讯产业的发展，也间接带动了伺服驱动技术的发展。1

构造伺服机构(servomechanism)系指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统。

一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、传感器(sensor)、控制器(controller)等几个部分。

受控体系指被控制的物件，例如一个机械手臂，或是一个机械工作平台。

致动器它的功能在于主要提供受控体的动力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱动方式，则为油压伺服系统。

绝大多数的伺服系统采用电力驱动方式，致动器包含了马达与功率放大器，例如应用于伺服系统的特别设计马达称之为伺服马达(servo motor)，其装置内含位置回授装置，如光电编码器(optical encoder)或是解角器(resolver)。

控制器一个传统伺服机构系统的组成，伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器。

以伺服马达为例，其伺服控制器通常包含速度控制器与扭矩控制器，马达通常提供类比式的速度回授信号，控制界面采用±10V的类比讯号，经由外回路的类比命令，可直接控制马达的转速或扭矩。采用这种伺服驱动器，通常必须再加上一个位置控制器(position controller)，才能完成位置控制。

主要应用于工业界的伺服马达包括直流伺服马达、永磁交流伺服马达、与感应交流伺服马达，其中又以永磁交流伺服马达占绝大多数。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、与位置控制等。

一般工业用伺服驱动器(servo drive)通常包含了控制器与功率放大器。伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服马达提供分辨率的光电编码器回授信号。2

伺服机构的作用伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配，并可通过机构变换实现对输出的速度调节。在机电一体化系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。由于机电一体化系统对快速响应指标要求很高，因此机电一体化系统中的机械传动装置不仅仅是解决伺服电机与负载间的力矩匹配问题。而更重要的是为了提高系统的伺服性能。为了提高机械系统的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理。

伺服机构的特点1、转动惯量小，过载能力大：一般伺服电机具有细长的转子，转动惯量比普通电动机小几个数量级；直流伺服电机具有5—8倍的过载能力，交流伺服电机具有3—5倍的过载能力。由于伺服电机转动惯量小，过载能力大，具有很高的加/减速能力。对CNC机床要求伺服电机带惯性负载加速到最高转速的时间小于100ms（间接判据）

2、转矩脉动小，低速性能好，调速范围大：伺服电机铁芯槽数多，换向器片数多（直流伺服电机），正弦波电流驱动（交流伺服电机），因此转矩脉动小，低速性能好。Kollmorgen公司的B/M系列伺服电机在BDS5系列伺服放大器驱动下，速度分辨率为0.00005rpm，调速范围为15000000:1。实测转动灵敏度为1角秒。

3、电机寿命长，防护等级高：伺服电机绕组绝缘等级高，一般为H级或B级绝缘，绕组寿命高。伺服电机一般采用含油轴承，免维护；轴承予加载，工作寿命长。伺服电机具有IP44以上的防护等级，允许在恶劣的工业环境下工作。B/M系列电机的防护等级为IP65，可选择IP67。

4、可靠的电机过热保护：一般在伺服电机壳体上装有热动开关或在伺服电机绕组内埋有热敏元件，防止电机过热。它比用过载继电器（热继电器）保护更可靠。

5、丰富的选件：伺服电机为适应各种机器的不同要求，备有很多选件供选择。例如使用滚珠丝杠的垂直轴伺服电机，由于滚珠丝杠没有自锁能力，为防止系统断电时运动部分下滑，可选择带防滑制动器的伺服电机。需要减速器的机器可以选择带齿轮头（齿轮减速器）的伺服电机。另外象反馈元件，电缆连接器等都可以选择。2

与伺服相关系统介绍伺服系统是通过伺服机构使电动机与被调节对象连接的。在CNC车床上，使刀架作直线运动进行切削的刀架滑座为被调节对象；在CNC铣床上，使工件作直线运动进行切削的工作台滑座为被调节对象；在舰炮控制中，使舰炮作方位回转和俯仰回转的滑座为被调节对象，等等。当被调节对象为直线运动时，伺服机构需将电动机的旋转运动转换为被调节对象的直线运动；当被调节对象为旋转运动时，伺服机构则将电动机的转速转换为符合被调节对象要求的转速。

将旋转运动转换为直线运动的伺服机构有螺母—丝杠副，滚珠丝杠副，齿轮—齿条副，蜗母—牙条副，等等；将电动机的转速转换为适合负载要求的转速的伺服机构有齿型带传动，齿轮减速器，行星齿轮减速器，谐波齿轮减速器，等等。

闭环调节系统的工作原理是不断比较被调节量与指令值计算出误差值，并使被调量向减小误差方向变化。被调量回馈到系统的输入端与指令值进行比较称为反馈，将被调量转换为可以与指令值（电信号）相比较的电信号的装置称为反馈装置。速度反馈装置一般为测速发电机（测速头），位置反馈装置可以是光电编码器，旋转变压器等。

反馈取至被调节对象，称为全闭环调节系统；反馈取至电动机轴，称为半闭环调节系统。全闭环调节系统中的伺服机构的误差可以得到系统的闭环补偿，因此调节精度高，但要求伺服机构刚性好，传动间隙小，否则得不到较好的补偿效果。半闭环调节系统由于伺服机构在闭环外，调节系统有较好的动态性能，但机械传动系统的误差（丝杠螺距误差，传动间隙）得不到闭环补偿。CNC机床利用CNC系统的存储式螺距误差补偿和间隙补偿功能对丝杠螺距误差和传动间隙进行开环补偿，但由于传动系统刚性不足产生的弹性变形引起的随机误差无法补偿，因此半闭环调节系统的伺服机构必须具有较好的刚度和精度，补偿才能获得较好的效果。3