1伺服系统简述

“伺服（Servo）”——词源于希腊语“奴隶”，意即“伺候”和“服从”。人们想把“伺服机构”当成一个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作：在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统（servomechanism）。
伺服系统指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。
一个伺服系统的构成包括被控对象、执行器和控制器（负载、伺服电动机和功率放大器、控制器和反馈装置）。
执行器的功能在于提供被控对象的动力，其构成主要包括伺服电动机和功率放大器，伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等（位置传感器）。
控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驱动器通常包括控制器和功率放大器。
反馈装置除了位置传感器，可能还需要电压、电流和速度传感器。
下图为一般工业用伺服系统的组成框图，其中红色为伺服驱动器组成部分，黄色为伺服电机组成部分。

运动控制（Motion Control，MC）起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。
2伺服电机
从基本理论上讲，微特电机与普通电机没有本质区别，其主要作用是完成控制信号的传递和转换，注重高精度和快速响应。微特电机分为驱动微电机和控制电机，驱动微电机在电力拖动系统中作为执行机构使用，伺服电机即为驱动微电机。
2.1伺服电机的反馈装置
交流伺服电动机的运行需要角度位置传感器，以确定各个时刻转子磁极相对于定子绕组转过的角度，从而控制电动机的运行。
伺服系统常用的检测元件以光电编码器最为常见。光电编码器在交流伺服电动机控制中起了三个方面的作用：
1.提供电动机定、转子之间相互位置的数据2.通过角编码器测速，提供速度反馈信号3.提供传动系统角位移信号，作为位置反馈信号

增量式编码器与juedui式编码器
编码器（encoder）的转轴与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动，能够将被测轴的角位移转成二进制编码或一串脉冲，对应于juedui式编码器和增量式编码器。

增量式：每转过单位的角度就发出一个脉冲信号；juedui式：对应一圈，运动部件的每一运动位置都有一个对应的编码，常以多位二进制码来表示，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。

需要注意的是，juedui式编码器有单圈式和多圈式之分：

单圈juedui式仅记录1圈内位置。其光电码盘转动超过360°时，编码器回到原点，因此只能用于旋转范围360°以内的测量；
多圈juedui式记录圈数和1圈内位置。旋转圈数可由靠锂电池驱动的寄存器保存，也可采用类似钟表的齿轮结构来记忆圈数，前者被称作“假juedui”，后者则被称之为“真juedui”。多圈juedui式对圈数存在限制，超出时将产生多圈计数溢出故障（部分伺服产品支持模数模式，则可能对该故障进行屏蔽）。多圈juedui式可作为单圈juedui式使用。

juedui式编码器最重要的特点在于具备掉电保持功能，即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的juedui编码数据，且掉电时即使对轴进行移动，相关值也将被记录，但对移动的圈数但存在限制（下述资料取自四门子V90，不确定能否推广至其它品牌）：
单圈juedui式编码器断电后电机移动超过半圈后会导致位置丢失；多圈juedui式编码器断电后电机移动超过2048圈后会导致位置丢失。
从这一角度来说，若搭载单圈juedui式编码器的伺服电机所驱动的机构其行程若超过一圈，则实质效果同增量式编码器无异（都记不住位置）。
编码器和电流环没有任何联系，它的采样来自于电机的转动。
编码器相关名词
1.编码器线数
即增量式码盘刻线数，其值等于编码器一转所发出的脉冲数，例如2500线表示转一圈需要发送2500个脉冲。这说明伺服电机转一圈所需脉冲数是固定的，且与电机自带编码器参数相关。
严格来讲，伺服电机一转所需上位机发送脉冲数与编码器线数和电子齿轮比有关。
2.编码器位数
其概念来源于juedui式编码器，例如17位（17B）、20位（20B）等，其数值含义见下：
摘自台达PPT，千万注意160000p/r和2^17之间的区别，依据型号不同，一圈所需脉冲数可能为前者，也可能是后者。
p/s or pps : pluse per second 秒脉冲p/r or ppr : pulse per revolution 每转所需脉冲数
3.编码器的ABZ相
A相、B相、Z相旋转输出脉冲电压，三相脉冲各自独立，A相和B相脉冲量相等，但是A相和B相之间存在一个90°（电气角的一周期为360°）的电气角相位差，可以根据这个相位差来判断编码器旋转的方向是正转还是反转，正转时，A相超前B相90°先进行相位输出，反转时，B相超前A相90°先进行相位输出。Z相为一圈一个脉冲电压。
4.编码器线制
是与编码器线数完全不同的概念，指编码器接线数，如下图为5线制编码器接线图：

2.2倍频
注意：只有增量式编码器具备倍频功能。juedui式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量，不存在四倍频的问题。
方波输出有两种，单相编码器输出一相脉冲，正交编码器输出两相相位相差90度的脉冲（在0度、90度、180度、270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿）。
编码器计数的时候可以只记上升沿（无倍频），单相脉冲记上升沿和下降沿（2倍频）；正交脉冲记所有上升沿就是2倍频，记所有上升和下降沿就是4倍频（方波最多只能做到4倍频）。
以正交编码器为例，4倍频的意义在于在1/4T方波周期就可以有方向变化的判断，这样1/4的T周期就是最小测量步距，通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取位移的变化,这就是方波的四倍频。这种判断，也可以用逻辑来做，0代表低，1代表高，A/B两相在一个周期内变化是0 0，0 1，1 1，1 0 。这种判断不仅可以4倍频，还可以判断移动方向。
从经济性来讲，采用倍频电路可以有效提高分辨率，而不增加旋转编码器的光栅数，从而减少旋转编码器的制作难度和成本。

举例：如果电机装了一个2500线编码器，则在不倍频的情况下，电机每转一圈可输出2500个脉冲；如果经过4倍频电路处理，则可以得到一圈10000个脉冲的输出，电机一圈为360°，所以每个脉冲代表的位置为360°/10000，相比360°/2500, 分辨率提高4倍。
需要注意的是，四倍频2500线增量式编码器转一圈同样需要输入10000个脉冲。

2.3电机刚性与负载惯量比
电机刚性
电机刚性（与柔性相对，刚性亦称作硬度）就是电机轴抗外界力矩干扰的能力，即电机转子的自锁能力。在伺服设置中，可以设定刚性等级，通常根据惯量比以及传动连接方式大致估测。刚性与响应速度有关，一般情况下，刚性高的机械可通过提高伺服增益来提高响应性能：刚性越强，对应的速度环增益越大，其响应速度也越高，但是过高容易让电机产生共振，无法提高响应性能，其现象为：在定位命令结束后，即使电机本身已经接近静止，机械传动端仍会出现持续摆动。因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机械以避免机械共振。注意这里的机械刚性指机械的动态刚性，即机床抵抗受迫振动的能力大小。
在伺服应用中，用联轴器来连接电机和负载，就是刚性连接；而用同步带或者皮带来连接电机和负载，就是柔性连接。
从控制器角度看的话，刚性其实是速度环、位置环和时间积分常数组合成的一个参数组，它的大小决定机械的一个响应速度。
响应时间：电气系统的响应时间，即给定一个位置、速度、转矩指令，到电机运行至该位置、速度、转矩的时间。
对响应速度和刚性关系的具体解释：在位置模式下，用力让电机偏转，如果伺服系统的响应速度够快，当伺服系统刚刚检测到偏差就立即输出一个较大的反向力，则电机偏转角度较小，说明伺服系统刚性较强。
机械共振
机床上的振动可以视为共振。所谓共振就是机床的固有频率与振源的频率相等。在机床系统中，振源就是伺服电动机。当伺服电动机的运行频率与机床机械系统的固有频率相等时，就发生共振。
消振即消除机械共振，消振的方法就是使伺服电动机的运行频率避开机床系统的固有频率。避开的方法就是使用各种滤波器过滤掉共振频率，如陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器等，使伺服电动机以非共振频率工作。
转动惯量与转矩的关系
惯性是物体的一种固有属性，惯量是惯性大小的量度。对于绕轴旋转的刚体，其惯性量度称为转动惯量，单位为kg·m²。对于一个质点，其转动惯量公式为：
I=mr²

式中：
I：转动惯量
M：质量
r：质点和转轴的垂直距离
转动惯量与转矩（Nm）存在对应关系，用公式表达为：M = I β 式中：M：转矩I：转动惯量β：加速度
由上式可知计算所需电机转矩时需要参考运动轴的转动惯量。
计算负载惯量的目的就是为计算加/减速转矩。
任何旋转物体均有惯量存在，惯量大小直接反应旋转时加/减速所需转矩大小及时间长短。因此选用电机时必须计算出电机的负载惯量，才能据此选择所需电机的规格。如若选定的电机无法在希望的加速时间到达预定转速，必定是电机输出转矩不符合负载的需求，须加大电机的输出转矩。
关于力矩、转矩和扭矩
1.力矩：力对刚体转动的影响，不仅与力的大小和方向有关，还与力相对于转矩的位置有关，为了描述力对刚体转动的作用，需要引入力对转轴的力矩这一新的物理量。2.转矩：转矩即转动力矩，一般指旋转的物体所受到的力矩。3.扭矩：任何元件在转矩的作用下，必定产生某种程度的扭转变形，因此习惯上又常把转动力矩叫扭转力矩，简称扭矩。
负载惯量比
负载惯量比是负载惯量与伺服电动机轴惯量之比的简称。
电机惯量指的是转子本身的惯量（即转动惯量，只跟转动半径和物体质量有关），分为大、中、小惯量，从响应角度来讲，电机的转子惯量应小为好；从负载角度来看，电机的转子惯量越大越好。
负载惯量由工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到电机轴上的惯量组成（即机械负载总惯量）。适用负载惯量通常小于伺服电机惯量的 5 倍，一般负载惯量超过电机转子惯量的10倍，可以认为惯量较大。
负载惯量比 = 负载惯量 / 电机惯量 
电机刚性与负载惯量比之间的关系
负载的转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大，两者呈反比，负载惯量比越大，伺服允许的刚性等级越低。固定增益下，伺服刚性相对转动惯量比过高时，易引起机械共振；反之则电机响应速度迟钝。为此需要做到惯量匹配，即设置合适的负载惯量比。一般是要调控制器增益改变系统响应，进而达到惯量匹配；也可以选用刚性较高的机台以避免机械共振（机台具有的容许响应频率）。
在伺服设定时，用户可自行选择刚性等级，伺服驱动器将自动产生一组匹配的增益参数，满足快速性与稳定性的需要，其前置条件为已正确获得负载惯量比。1~50Hz：低刚性，低响应51~250Hz：中刚性，中响应251~550Hz：高刚性，高响应

2.4电子齿轮
基本概念
电子齿轮：简单地说就是用电气控制技术代替机械传动机构。一般来说，电机与驱动机构是直连的，机械结构固定后，传动比也就固定了；利用电子齿轮可以增加传动系统的柔性，提高传动精度。
电子齿轮比：电机编码器接收脉冲与上位机发送脉冲之比，可在驱动器或者控制器上设置。由此可知：

例：车床用 10mm 丝杠，电机转动一圈机械移动 10mm，每移动 0.001mm 就需要电机旋转 1/10000 圈（0.001/10），而如果连接 5mm 丝杠（即电机转动一圈机械移动 5mm），且直径编程的话，每 0.001 的位移量就需要 1/5000 转，这时可以用电子齿轮设置，就可以保持脉冲当量不变。
详见：电子齿轮比计算方法
脉冲当量
脉冲当量是指控制器输出一个定位控制脉冲时，所产生的定位控制移动的位移。即单位脉冲的位移。线性运动是指距离，圆周运动是指角度。脉冲当量越小，定位控制的分辨率越高，加工精度也越高。所有的定位控制位移量以脉冲量为单位计算脉冲数。