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   伺服系统是什么

伺服系统是指以位置、速度、转矩为控制量，能够跟踪目标变化而实现自动化的系统，是工业自动化精密制造和柔性制造的核心技术，属于高端工业自动化控制设备。

从产品结构上来看，伺服系统分为伺服编码器、伺服驱动器和伺服电机三部分。

伺服编码器安装在伺服电机上，用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速；伺服驱动器主要通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位；伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，主要用于控制速度，位置精度非常准确。其中伺服驱动器、伺服电机成本占比较高。伺服系统的主要性能指标包括编码器分辨率、电机过载能力、电机Zui高转速、频率响应速度，这些指标反映了伺服产品的定位精准度、性能、稳定性。其中，定位精准度跟编码器的选择有关，性能跟驱动硬件的运算能力和程序源价值有关，稳定性跟电机材质及零部件有关。

其中，伺服驱动器、伺服电机成本占比较高。

▲伺服系统成本结构

伺服系统的主要性能指标包括编码器分辨率、电机过载能力、电机Zui高转速、频率响应速度，这些指标反映了伺服产品的定位精准度、性能、稳定性。

其中，定位精准度跟编码器的选择有关，性能跟驱动硬件的运算能力和程序源价值有关，稳定性跟电机材质及零部件有关。

伺服驱动器作用类似于变频器之于交流马达，一般是通过速度环、位置环、电流环分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制，实现高精度的传动系统定位，通常被安装在控制柜内。驱动器的形式取决于驱动电机的类型，例如机器人电机多使用直流伺服电机以及交流伺服电机，因此常用的机器人驱动器就是直流伺服电动机驱动器以及同步式交流伺服电动机驱动器。直流伺服电动机驱动器调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强;同步式交流伺服电动机驱动器则有着转矩转动惯量比高等优势。在过去，一个电动机就需要一个驱动器，但随着驱动技术的发展，驱动器由单轴控制向多轴控制发展，一个驱动器可同时控制多个电动机。

伺服驱动器核心构成主要包括主控制器和电力电子板、信号处理和通信板，即控制模块+通信模块。就驱动器而言，主要看芯片性能。

▲伺服驱动器示意图

伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

根据不同的控制方式和要求，伺服电机的驱动器可分直流伺服电机驱动器、交流伺服电机驱动器和步进伺服驱动器。

1）直流伺服电机驱动器

直流伺服电机驱动器使用直流电源将电机的电流进行控制，其具有速度控制jingque、控制原理简单、价格便宜等优点。直流伺服电机驱动器适用于一些小型的、功率较小的电机，如自动售货机、自动贩卖机等。

2）交流伺服电机驱动器

交流伺服电机驱动器使用交流电源将电机的电流进行控制，其具有良好的速度控制特性，在整个速度区间内可实现精准控制，高效率、高jingque位置控制等优点。交流伺服电机驱动器又可以分为同步伺服电机和异步伺服电机。

同步伺服电机主要采用永磁体等技术制造，具有更好的速度控制特性，适用于低惯量、低噪音等场合；异步伺服电机则通过使用电容或变压器来改变转子和定子之间的磁场，实现电机的控制。

3）步进伺服驱动器

步进驱动器是一种使用数字信号来控制电机的非常常用的驱动器（严格来说并不是完整的闭环）。步进驱动器通过改变电机的相位和电流来实现电机的控制。步进驱动器结构简单、工作可靠、适应性强，广泛应用于自动化加工、包装、印刷、纺织等领域。

伺服编码器是一种传感器，安装在伺服电机末端用来测量转角及转速。编码器主要由传感器和码盘组成，能够测量机械部件在运动时的位移位置和速度等信息，并将其转换成电信号，进一步发送反馈信号给驱动器，驱动器以此确定位置、速度或方向。作为伺服系统的信号反馈装置，编码器很大程度上决定了伺服系统的精度。

▲伺服编码器示意图

根据检测原理，编码器可分为光电式、磁场式、感应式和电容式，目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。

光编和磁编各有优劣，其中光编具备更高的控制精度，磁编具备易用性强、抗震动抗油污和xingjiabigao等优势。

光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据该信号的每秒脉冲数便可计算当前电动机的转速；磁性编码器主要由磁阻传感器、磁鼓、信号处理电路组成，将磁鼓刻录成等间距的小磁极，磁极被磁化后，旋转时产生周其分布的空间漏磁场，磁传感器探头通过磁电阻效应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值变化，在外加电势作用下将变化的电阻值转化为电压变化，通过信号处理电路的处理，模拟电压信号进一步转化成计算机可以识别的数字信号，实现此旋转编码器的编码功能。目前，dingjian的光电编码器控制精度更高，在先进制造等高精尖领域中具备更优异的表现；而磁编具备良好的抗震动抗油污等特性，具备较强的易用性和较高的性价比，在机床等领域有广泛应用。

就编码器而言，主要看分辨率、精度以及重复精度等。

伺服电机是伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机作为执行元件，作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度，其主要由定子和转子构成。机器人的关节驱动离不开伺服电机，关节越多，其柔性和精度的要求就越高，所需的伺服电机数量就越多。机器人对伺服电机的要求较高，必须满足快速响应、高启动转矩、大动转矩惯量比、宽调速范围，同时又要适应机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运动等要求。机器人以使用无刷直流电机(BLDC)为主流。如今一般伺服电机都追求高精度、高可靠性、高热容量、高刚度、轻量化和高响应性等性能，例如空心杯电机、伺服电缸、无槽无刷电机等或将成为未来机器人领域伺服电机的发展趋势。就电机而言，主要看转速、功率、扭矩、震动、噪音、加/减速度、尺寸、寿命、响应时间等。

▲伺服电机示意图