1 伺服的基本概念

1.1 名词

　　“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当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。

1.2 定义

　　（1）伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量（或给定值）的任意变化而变化的自动控制系统。 　　（2）在自动控制系统中，能够以一定的准确度响应控制信号的系统称为随动系统，亦称伺服系统。 　　伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。

1.3 伺服系统的组成

　　伺服系统可分为开环、半闭环、闭环控制系统。 　　具有反馈的闭环自动控制系统由位置检测部分、偏差放大部分、执行部分及被控对象组成。

1.4 伺服系统的性能要求

　　伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。

1.5 伺服系统的种类

　　通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。 　　伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。 　　电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 　　这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。

编辑本段2 伺服和变频的异同

　　伺服与变频的一个重要区别是: 变频可以无编码器,伺服则必须有编码器,作电子换向用. 　　一、两者的共同点： 　　交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节：变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管（IGBT，IGCT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了（n=60f/2p ，n转速，f频率， p极对数） 　　二、谈谈变频器： 　　简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩，UVW每相的输出要加摩尔效应的电流检测装置，采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节；ABB的变频又提出和这样方式不同的直接转矩控制技术，具体请查阅有关资料。这样可以既控制电机的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于v/f控制，编码器反馈也可加可不加，加的时候控制精度和响应特性要好很多。 　　三、谈谈伺服： 　　驱动器方面：伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的伺服强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置（当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里），驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。 　　电机方面：伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的，有些性能优良的变频器就可以直接驱动^[1]伺服电机！！！ 　　四、谈谈交流电机： 　　交流电机一般分为同步和异步电机 　　1、交流同步电机：就是转子是由永磁材料构成，所以转动后，随着电机的定子旋转磁场的变化，转子也做响应频率的速度变化，而且转子速度=定子速度，所以称"同步"。 　　2、交流异步电机：转子由感应线圈和材料构成。转动后，定子产生旋转磁场，磁场切割定子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而转子产生感应磁场，感应磁场追随定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子的变化，一旦等于就没有变化的磁场切割转子的感应线圈，转子线圈中也就没有了感应电流，转子磁场消失，转子失速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。。。所以在交流异步电机里有个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。 　　3、对应交流同步和异步电机变频器就有相映的同步变频器和异步变频器，伺服电机也有交流同步伺服和交流异步伺服，当然变频器里交流异步变频常见，伺服则交流同步伺服常见。

编辑本段3. 交流永磁同步电机伺服系统

3.1 AC伺服系统

　　电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。 　　早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，AC伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。 永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高，价格不断下降，控制又比异步电机简单，容易实现高性能的缘故，所以永磁同步电机的AC伺服系统应用更为广泛。 　　目前，在交流同步伺服驱动系统中，普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。 　　一类称为无刷直流电动机，它要求将方波电流直入定子绕组（BLDCM） 　　另一类称为三相永磁同步电动机，它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。（PM·SM） 　　无刷直流电动机(BLDCM)，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机(BLDCM)是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子。将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下，并采用永磁转子，就可以省去机械换向器和电刷，由此得名无刷直流电动机。 BLDCM定子每相感应电动势为梯形波，为了产生恒定的电磁转矩，要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流，而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。 　　永磁同步电机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧，铝镍钴，钕铁硼以及SmCO5 Sm2CO17. 　　在转子上安装永磁铁的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将形成永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。 　　根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势的分布不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电机，前者每相励磁磁动势分布是正弦波状，后者每相励磁磁动势分布呈方波状，根据子路结构和永磁体形状的不同而不同。对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙，如果采用系统永磁材料，由于稀土永磁的取向性好，可以方便的获得具有较好方波形状的气隙磁场。对于采用非均匀气隙或非均匀磁化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。 　　综上所述两类永磁AC同步伺服电动机的差异归纳如下:： 　　控制原理相似，给定指令信号加到AC伺服系统的输入端，电动机轴上位置反馈信号与给定位置相比较，根据比较结果控制伺服的运动，直至达到所要求的位置为止。PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。 　　两种永磁无刷电动机比较而言，方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷，因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动，而这种脉动在高速运转时产生噪声，在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化，从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用（尤其是在低速直接驱动场合）。因此，对于一般性能的电伺服驱动控制系统，选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式。而PM、SM伺服系统要求定子输入三相正弦波电流，可以获得更好的平稳性，具有更优越的低速伺服性能。因而广泛用于数控机床，工业机器人等高性能高精度的伺服驱动系统中。

3.2 伺服系统的发展过程

　　伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程, 电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。 　　由于直流伺服电动机存在机械结构复杂, 维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低, 交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。 　　1990年以前，由于技术成本等原因，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，而且主要集中在机床和国防军工行业。1990年以后，进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展、电力电子及微电子技术日新月异的进步，交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过渡到全数字式。由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品生产的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯功能等，大大拓展了交流伺服电机的适用领域；另外随着各行业，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等，对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长，交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机。 　　正弦波交流伺服系统综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就，与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能机电一体化产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机，成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。正弦波交流伺服广泛使用于航空、航天、兵器、船舶、电子及核工业等领域，如自行火炮、卫星姿态控制、雷达驱动、机载吊舱定位系统、战车火控及火力系统、水下灭雷机器人等。