目录

1 伺服简介

    1.1 伺服的定义

    1.2 伺服的作用

    1.3 伺服的构成

2 伺服电机种类

3 编码器种类

4 伺服的原理

5 伺服的控制环

6 伺服的控制模式

    6.1 位置控制模式

        6.1.1 定位控制的目标

        6.1.2 定位控制的特点

    6.2 速度控制模式

    6.3 转矩控制模式

正文

1 伺服简介
1.1 伺服的定义“伺服（Servo）机构” 一词的词源来自拉丁语中的“Servo”，即“奴隶”的意思，表示完全按照指令行动而构建的控制系统。日本工业规格（JIS）“伺服机构”的定义：以物体的位置、方位、姿势等作为控制量，为跟踪目标的任何变化而构建的控制系统。1.2 伺服的作用

利用伺服机构可进行位置、速度、转矩的单项控制及组合控制。其实现既灵敏又高精度的动作，始终确认自己的动作状态，避免与指令发生偏差而不断进行反馈（feedback）。其中，如何进行控制以缩小指令信号与反馈信号之差至关重要。

1.3 伺服的构成

伺服机构大致由下列各部分组成。

实际的机构也有液压式和气压式的，但被广泛使用的是维护性能优良的电气式伺服机构。在工厂自动化（Factory Automation）相关的精密控制中，经常使用是一种交流（AC）伺服系统的电气式伺服机构。伺服电机常带有可检测旋转角度、速度和方向的编码器，它可将检测信息反馈给伺服放大器（控制部）。2 伺服电机种类

普通的伺服电机有同步（SM）型AC伺服电机、感应（IM）型AC伺服电机和DC伺服电机3种。与FA相关的尤其是需求量大的中、小容量伺服电机，通常指SM型AC伺服电机。

3 编码器种类编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。

按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；

按照工作原理编码器可分为增量式和juedui式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

juedui式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

最新的伺服电机多采用停电后无需进行原点复归的juedui编码器。juedui编码器中有检测电机旋转1圈内所处位置的juedui位置检测部和计算旋转了几圈的多圈检测部。为了防止多圈检测数据在停电时丢失，由电池维持数据。

下图为光学式编码器的原理说明。各厂家对分辨率极高（超过100万［脉冲/转］）的编码器实现了产品化。通常，光学式编码器用于追求小型化或高分辨率等特性的应用领域，在特别追求耐环境性能（耐污染性能强等）的应用领域，有时也使用磁力式编码器。

4 伺服的原理

伺服系统的最大特点是“比较指令值与当前值，为了缩小该误差”进行反馈控制。反馈控制中，确认机械（控制对象）是否忠实地按照指令进行跟踪，有误差（偏差）时改变控制内容，并将这一过程进行反复控制，以到达目标。该控制流程是：误差→当前值→误差，形成一个闭合的环，因此也称为闭环（CLOSED LOOP）；反之，无反馈的方式，则称为开环（OPEN LOOP）。

5 伺服的控制环

从信号的流程看，伺服的控制环构成如下图所示。

在AC伺服系统中，对装在伺服电机上的编码器所发出的脉冲信号或伺服电机的电流进行检测，将结果反馈至伺服放大器，并根据这个结果按照指令来控制机械。该反馈有以下3种环。

  

各环都朝着使指令信号与反馈信号之差为零的目标进行控制。

各环的响应速度按下述顺序渐高。

位置环 ＜ 速度环 ＜ 电流环

各控制模式中使用的环如下所示。

  

6 伺服的控制模式

根据指令值的不同，伺服系统的控制模式有以下3种。

位置控制模式。

速度控制模式。

转矩控制模式。

6.1 位置控制模式6.1.1 定位控制的目标FA设备中的“定位”是指工件或工具（钻头、铣刀）等以合适的速度向着目标位置移动，并高精度地停止在目标位置。这样的控制称为“定位控制”。可以说伺服系统主要用来实现这种“定位控制”的目的。

定位控制的要求是“始终正确地监视电机的旋转状态”，为了达到此目的而使用检测伺服电机旋状态的编码器。而且，为了使其具有迅速跟踪指令的能力，伺服电机选用体现电机动力性能的起动转矩大而电机本身惯性小的专用电机。

  

6.1.2 定位控制的特点

伺服系统的定位控制基本特点为：

机械的移动量与指令脉冲的总数成正比。

机械的速度与指令脉冲串的速度（脉冲频率）成正比。

最终在±1个脉冲的范围内定位完成，此后只要不改变位置指令，则始终保持在该位置（伺服锁定功能）。

伺服系统中的位置精度由以下各项决定：

伺服电机每转1圈机械的移动量。

伺服电机每转1圈编码器输出的脉冲数。

机械系统中的间隙（松动）等误差。

  

6.2 速度控制模式伺服系统的速度控制特点：可实现“精细、速度范围宽、速度波动小”的运行。（1）软起动、软停止功能

可调整加减速运动中的加速度（速度变化率），避免加速、减速时的冲击。

  

（2）速度控制范围宽可进行从微速到高速的宽范围的速度控制。（1：1000～5000左右）速度控制范围内为恒转矩特性。（3）速度变化率小即使负载有变化，也可进行小速度波动的运行。6.3 转矩控制模式转矩控制就是通过控制伺服电机的电流，以达到输出目标转矩的控制。

下图为收卷控制示意。

  

进行恒定的张力控制时，由于负载转矩会因收卷滚筒半径的增大而增加，因此，需据此对伺服电机的输出转矩进行控制。

卷绕过程中材料断裂时，将因负载变轻而高速旋转，因此，必须设定速度限制值。