1. 什么是伺服系統？

伺服系統（servomechanism）又稱(chēng)隨動(dòng)系統，是用來(lái)精確地跟隨或復現某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統。伺服系統使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統。

它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調控等處理，使驅動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統專(zhuān)指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），其結構組成和其他形式的反饋控制系統沒(méi)有原則上的區別。

注意：伺服系統不單單指以伺服電機構成的電氣伺服系統，還有以伺服閥構成的液壓伺服系統。本文主要介紹伺服電機系統。

2. 什么是伺服電機？與步進(jìn)電機有何不同？

伺服電動(dòng)機又稱(chēng)執行電動(dòng)機，在自動(dòng)控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi)。其主要特點(diǎn)：當信號電壓為零時(shí)無(wú)自轉現象，轉速隨著(zhù)轉矩的增加而勻速下降。

伺服電機與步進(jìn)電機的特點(diǎn)比較：

• 控制精度不同

兩相混合式步進(jìn)電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進(jìn)電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機的步距角。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。對于帶標準2500線(xiàn)編碼器的電機而言，由于驅動(dòng)器內部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機的脈沖當量的1/655。

• 低頻特性不同

步進(jìn)電機在低速時(shí)易出現低頻振動(dòng)現象。振動(dòng)頻率與負載情況和驅動(dòng)器性能有關(guān)，一般認為振動(dòng)頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進(jìn)電機工作在低速時(shí)，一般應采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動(dòng)器上采用細分技術(shù)等。

交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時(shí)也不會(huì )出現振動(dòng)現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點(diǎn)，便于系統調整。

• 矩頻特性不同

步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時(shí)會(huì )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?xún)?，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

• 過(guò)載能力不同

步進(jìn)電機一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機具有較強的過(guò)載能力。速度過(guò)載和轉矩過(guò)載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機因為沒(méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

• 運行性能不同

步進(jìn)電機的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負載過(guò)大易出現丟步或堵轉的現象，停止時(shí)轉速過(guò)高易出現過(guò)沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅動(dòng)系統為閉環(huán)控制，驅動(dòng)器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì )出現步進(jìn)電機的丟步或過(guò)沖的現象，控制性能更為可靠。

• 速度響應性能不同

步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

3. 什么是編碼器？類(lèi)型有哪些？

編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進(jìn)行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線(xiàn)位移轉換成電信號，前者稱(chēng)為碼盤(pán)，后者稱(chēng)為碼尺。

它是一種信號反饋元器件。編碼器可按以下方式來(lái)分類(lèi)。

• 按碼盤(pán)的刻孔方式不同分類(lèi)

（1）增量型：就是每轉過(guò)單位的角度就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(也有發(fā)正余弦信號，然后對其進(jìn)行細分，斬波出頻率更高的脈沖)，通常為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據延遲關(guān)系可以區別正反轉，而且通過(guò)取A相、B相的上升和下降沿可以進(jìn)行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個(gè)脈沖。

（2）絕對值型：就是對應一圈，每個(gè)基準的角度發(fā)出一個(gè)唯一與該角度對應二進(jìn)制的數值，通過(guò)外部記圈器件可以進(jìn)行多個(gè)位置的記錄和測量。

• 按信號的輸出類(lèi)型分類(lèi)

可分為：電壓輸出、集電極開(kāi)路輸出、推拉互補輸出和長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)輸出。

• 以編碼器機械安裝形式分類(lèi)

（1）有軸型：有軸型又可分為夾緊法蘭型、同步法蘭型和伺服安裝型等。

（2）軸套型：軸套型又可分為半空型、全空型和大口徑型等

• 以編碼器工作原理分類(lèi)

可分為：光電式、磁電式和觸點(diǎn)電刷式。

4. 如何實(shí)現伺服控制？

伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個(gè)脈沖，就會(huì )旋轉1個(gè)脈沖對應的角度，從而實(shí)現位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個(gè)角度，都會(huì )發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統就會(huì )知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動(dòng)，從而實(shí)現精確的定位，可以達到0.001mm。  

直流伺服電機分為有刷和無(wú)刷電機。有刷電機成本低，結構簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。   

無(wú)刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動(dòng)平滑，力矩穩定?？刂茝碗s，容易實(shí)現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長(cháng)壽命，可用于各種環(huán)境。

交流伺服電機也是無(wú)刷電機，分為同步和異步電機，目前運動(dòng)控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動(dòng)速度低，且隨著(zhù)功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。     

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉子在此磁場(chǎng)的作用下轉動(dòng)，同時(shí)電機自帶的編碼器反饋信號給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器根據反饋值與目標值進(jìn)行比較，調整轉子轉動(dòng)的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線(xiàn)數）。 

調試步驟

1. 初始化參數

在接線(xiàn)之前，先初始化參數。在控制卡上：選好控制方式；將PID參數清零；讓控制卡上電時(shí)默認使能信號關(guān)閉；將此狀態(tài)保存，確?？刂瓶ㄔ俅紊想姇r(shí)即為此狀態(tài)。

在伺服電機上：設置控制方式；設置使能由外部控制；編碼器信號輸出的齒輪比；設置控制信號與電機轉速的比例關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，建議使伺服工作中的最大設計轉速對應9V的控制電壓。

2. 接線(xiàn)

將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號線(xiàn)。以下的線(xiàn)是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線(xiàn)、使能信號線(xiàn)、伺服輸出的編碼器信號線(xiàn)。復查接線(xiàn)沒(méi)有錯誤后，伺服電機和控制卡（以及PC）上電。此時(shí)電機應該不動(dòng)，而且可以用外力輕松轉動(dòng)，如果不是這樣，檢查使能信號的設置與接線(xiàn)。用外力轉動(dòng)電機，檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化，否則檢查編碼器信號的接線(xiàn)和設置。

3. 試方向

對于一個(gè)閉環(huán)控制系統，如果反饋信號的方向不正確，后果肯定是災難性的。通過(guò)控制卡打開(kāi)伺服的使能信號。這是伺服應該以一個(gè)較低的速度轉動(dòng)，這就是傳說(shuō)中的“零漂”。一般控制卡上都會(huì )有抑制零漂的指令或參數。使用這個(gè)指令或參數，看電機的轉速和方向是否可以通過(guò)這個(gè)指令（參數）控制。

如果不能控制，檢查模擬量接線(xiàn)及控制方式的參數設置。確認給出正數，電機正轉，編碼器計數增加；給出負數，電機反轉轉，編碼器計數減小。如果電機帶有負載，行程有限，不要采用這種方式。測試不要給過(guò)大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機上的參數，使其一致。

4. 抑制零漂

在閉環(huán)控制過(guò)程中，零漂的存在會(huì )對控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數，仔細調整，使電機的轉速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性，所以，不必要求電機轉速絕對為零。

5. 建立閉環(huán)控制

再次通過(guò)控制卡將伺服使能信號放開(kāi)，在控制卡上輸入一個(gè)較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺(jué)了，如果實(shí)在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開(kāi)。這時(shí)，電機應該已經(jīng)能夠按照運動(dòng)指令大致做出動(dòng)作了。

6. 調整閉環(huán)參數

細調控制參數，確保電機按照控制卡的指令運動(dòng)，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗，這里只能從略了。

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