伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型繁多，就從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)進(jìn)行分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)等五部分。

1、控制器

控制器通常是PID控制電路或計(jì)算機(jī)， 控制器主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，用來(lái)控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

2、被控對(duì)象

被控對(duì)象多指一些機(jī)械參數(shù)量，例如：位移、加速度、力、速度和力矩等。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的規(guī)則，將輸入的各形式能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。

4、檢測(cè)環(huán)節(jié)

檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要量綱的裝置，一般包括傳感器（編碼器）和轉(zhuǎn)換電路。

5、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入之間的偏差信號(hào)。這個(gè)環(huán)節(jié)通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1、伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品

1.1伺服電機(jī)

按容量將其分為大容量、中容量、小容量、超小容量（MINI型）四種類(lèi)型。其中，功率在22―55KW之間為大容量型，功率在300W―15KW之間為中容量型，功率在30―750W之間為小容量型，功率在10―20W之間為超小容量型。

1.2編碼器

現(xiàn)在以信號(hào)線數(shù)量是5根的新型的位置編碼器居多，分為絕對(duì)值型和增量型兩種，具有62.5μs的通信周期，12位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，4 M/s的通信速率，高達(dá)20 bit/rev編碼器分辨率，也就是說(shuō)每轉(zhuǎn)生成100萬(wàn)個(gè)脈沖，有高達(dá)6000 r/min的轉(zhuǎn)速，且僅用16μA電流。

除了光電編碼器之外，磁編碼器值得關(guān)注。磁編碼器的重量和體積都比光電編碼器小幾十倍，溫度范圍更寬，幾乎不怕沖擊和振動(dòng)。其工作原理非常簡(jiǎn)單，磁編碼器的定子是一顆內(nèi)嵌霍爾磁敏元件和DSP的芯片，體積可以小到MSOP-24封裝，它的轉(zhuǎn)子是一顆兩極磁鋼。它的分辨率是16位，精度是12位。

1.3伺服控制單元

伺服控制單元也叫伺服控制器或是伺服驅(qū)動(dòng)器。雖有較低成本、較快的相應(yīng)速度、連續(xù)性較好的特點(diǎn)，但傳統(tǒng)模擬控制會(huì)因?yàn)闇囟壬甙l(fā)生漂移，調(diào)試系統(tǒng)不易掌握，柔性化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難，無(wú)法完成復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)等。

1.4上位控制

從上面的CNC控制器、運(yùn)動(dòng)控制器及可編程控制器（PLC），能連接到底端的CNC控制器、通用輸入/輸出（I/O）控制單元。可控制單軸，在高達(dá)44軸的模式下也可控制，從模擬到網(wǎng)絡(luò)不同類(lèi)型的信號(hào)可通過(guò)控制器進(jìn)行連接。

2、比較直流與交流伺服系統(tǒng)

液壓的伺服系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為電氣伺服系統(tǒng)，存在直流（DC）和交流（AC）兩種類(lèi)型之分。

直流伺服電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代，但在70年代末至80年代初，其逐漸被交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代，且當(dāng)時(shí)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)就包括交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

由于電機(jī)本身有一定缺陷，所以直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展受到了影響。因直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中溫度逐漸升高，使其無(wú)法精準(zhǔn)確地連接其他機(jī)械設(shè)備，而且在大容量和高速的情況很難派上用場(chǎng)。因此，直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)機(jī)械轉(zhuǎn)向器的發(fā)展瓶頸就產(chǎn)生了。

負(fù)荷特性和低慣性是交流伺服電機(jī)兩大特點(diǎn)。這個(gè)就體現(xiàn)了交流伺服電機(jī)的比較優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)換向器、電刷等部件所造成的各種問(wèn)題在交流伺服電機(jī)中都被避免了，因此，包括工廠自動(dòng)化（FA）在內(nèi)的許多領(lǐng)域都廣泛使用交流伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)發(fā)展前景向好

2012年國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量約172萬(wàn)臺(tái)，國(guó)內(nèi)需求市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了385萬(wàn)臺(tái)。國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)銷(xiāo)售規(guī)模達(dá)到60.39億元；2013年我國(guó)伺服電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量約206萬(wàn)臺(tái)，需求量約444萬(wàn)臺(tái)。國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)銷(xiāo)售規(guī)模達(dá)到55.87億元；2014年，受益于機(jī)器人、物料搬運(yùn)設(shè)備、木工機(jī)械等OEM行業(yè)升溫持續(xù)，伺服市場(chǎng)增速大幅回升。我國(guó)伺服電機(jī)產(chǎn)銷(xiāo)量分別為255萬(wàn)臺(tái)和535萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模約61.18億元；2015年，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到63.19億元。

目前，國(guó)外品牌占據(jù)了中國(guó)交流伺服市場(chǎng)近90%的市場(chǎng)份額，他們來(lái)自日本和歐美。

其中，日系產(chǎn)品以擁有約60%的市場(chǎng)份額而雄踞首位，其著名品牌包括松下、發(fā)那科（fanuc）、三菱電機(jī)、安川、三洋、富士等，其產(chǎn)品特點(diǎn)是技術(shù)和性能水準(zhǔn)比較符合中國(guó)用戶的需求，以良好的性能價(jià)格比和較高的可靠性獲得了穩(wěn)定且持續(xù)的客戶源，在中小型OEM市場(chǎng)上尤其具有壟斷優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，日系伺服強(qiáng)化了本地化生產(chǎn)的策略，這在很大程度上進(jìn)一步增加了在價(jià)格和快速交貨方面的籌碼。鑒于以上特性，日系伺服品牌是中國(guó)伺服市場(chǎng)最大的受益者，也是國(guó)產(chǎn)伺服最大的競(jìng)爭(zhēng)者。

歐美品牌中，美國(guó)以羅克維爾（rockwell automation）、達(dá)那赫（danaher）、帕克（parker）等聞名，而德國(guó)則擁有西門(mén)子（siemens）、倫茨（Lenze）、博世力士樂(lè)（bosch rexroth）、施奈德（schneider）等品牌先鋒，英國(guó)的Control Technology、SEW也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。這些歐美品牌在高端設(shè)備和生產(chǎn)線上比較有競(jìng)爭(zhēng)力，此類(lèi)產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是品牌歷史悠久、技術(shù)先進(jìn)、功能齊全，以全套自動(dòng)化解決方案作為賣(mài)點(diǎn)，總的市場(chǎng)占有率大約在30%。最近，為提供市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這些高端品牌也在不斷尋找本地合作伙伴，目標(biāo)直指中國(guó)的中低端市場(chǎng)，并不甘心被日本品牌擠壓。因此，歐美品牌雖在產(chǎn)品系列上和國(guó)產(chǎn)品牌有所差別，但其野心也不可被小覷。

除日本、歐美伺服品牌外，以東元（TECO）和臺(tái)達(dá)（Delta）為代表的臺(tái)系伺服在大陸市場(chǎng)的推廣也如火如荼，其技術(shù)水平和價(jià)格水平居于進(jìn)口中端產(chǎn)品和國(guó)產(chǎn)品牌之間，在競(jìng)爭(zhēng)中主要突出性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，對(duì)國(guó)產(chǎn)品牌帶來(lái)了新的競(jìng)爭(zhēng)壓力，市場(chǎng)占有率從幾年前的微不足道提高到大約5%。值得注意的是，這兩個(gè)廠商的目標(biāo)客戶均屬于機(jī)械行業(yè)，這將加劇與同將目標(biāo)市場(chǎng)定位于此的南京埃斯頓等國(guó)產(chǎn)品牌之間的競(jìng)爭(zhēng)。

相比之下，國(guó)產(chǎn)伺服品牌起步較晚，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)較大規(guī)模的伺服品牌20余家，主要有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、南京埃斯頓、和利時(shí)電機(jī)等。其中華中數(shù)控和廣州數(shù)控等主要集中在數(shù)控機(jī)床行業(yè)；南京埃斯頓則以自主創(chuàng)新伺服技術(shù)為基礎(chǔ)，提供面向機(jī)械裝備全行業(yè)的交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品，以其全系列的產(chǎn)品覆蓋和良好的產(chǎn)品性能在國(guó)內(nèi)交流伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)上形成獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前該公司的交流伺服產(chǎn)品已批量使用在數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械、針織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、繞線機(jī)、彈簧機(jī)、彎管機(jī)等多個(gè)機(jī)械裝備領(lǐng)域；和利時(shí)電機(jī)面向整個(gè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)機(jī)械市場(chǎng)提供步進(jìn)、無(wú)刷、伺服等系列產(chǎn)品，在技術(shù)上和品牌上也有一定優(yōu)勢(shì)。上述品牌雖各具特色，但市場(chǎng)占有率加起來(lái)也僅僅在5%左右，在與洋品牌的對(duì)抗中，國(guó)產(chǎn)品牌雖奮起直追，但畢竟因?qū)嵙沂舛幱谙嘛L(fēng)。

伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

伺服系統(tǒng)方便、快速、靈活、準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)在機(jī)電設(shè)備中發(fā)揮了重要的作用，其發(fā)展與伺服電機(jī)的發(fā)展相輔相成，伺服驅(qū)動(dòng)早在20世紀(jì)60年代以前，不是液壓的就是直接以驅(qū)動(dòng)為主要特征的伺服電機(jī)，采取開(kāi)環(huán)控制的方法來(lái)進(jìn)行位置控制。直流伺服電機(jī)則是在60―70年代出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來(lái)的，其在工業(yè)等相關(guān)的領(lǐng)域有了空前的發(fā)展和推廣，其采用的開(kāi)環(huán)控制方法也被閉環(huán)控制所取代。永磁式直流電機(jī)一直以來(lái)都在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中占主導(dǎo)作用，它沒(méi)有勵(lì)磁的耗損，很容易就能使電路得到控制，有較好的低速性能。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，與此同時(shí)，交流伺服系統(tǒng)的性能也在不斷地提高，相應(yīng)的伺服傳動(dòng)裝置也在不斷的發(fā)展，經(jīng)歷了模擬式、數(shù)模混合式和全數(shù)字化過(guò)程。交流伺服在90年代得到了迅猛的發(fā)展，到了21世紀(jì)，其已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化控制的上世紀(jì)90年代交流伺服成為取得突破性發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化控制的主要使用技術(shù)。總體上來(lái)看，伺服系統(tǒng)可以往下面幾個(gè)方面發(fā)展。

1、交流化方面

由原來(lái)的DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成AC伺服系統(tǒng)。目前，AC伺服系統(tǒng)幾乎占據(jù)了國(guó)際市場(chǎng)，發(fā)達(dá)國(guó)家的AC伺服電機(jī)在所有產(chǎn)品中的占有率達(dá)到了80%以上，但是在國(guó)內(nèi)可以生產(chǎn)AC伺服系統(tǒng)的企業(yè)幾乎找不到。由此推斷，在不久的將來(lái)，除了少數(shù)微型電機(jī)領(lǐng)域以外的原來(lái)DC伺服電機(jī)占據(jù)的市場(chǎng)外，所有的市場(chǎng)將被AC伺服電機(jī)占有。

2、全數(shù)字化方面

以電子器件為主的伺服控制單元將被使用新型高速微處理器和專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的完全取代，進(jìn)而促進(jìn)伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化。實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化，對(duì)實(shí)現(xiàn)軟件伺服控制十分有利，而使得現(xiàn)代控制理論的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、人工智能、最優(yōu)控制等先進(jìn)算法能應(yīng)用于伺服系統(tǒng)。

3、小型化和微型化

目前，如功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣門(mén)極晶體管（IGBT）、晶體管（GTR）等大部分新型功率半導(dǎo)體器件被伺服控制系統(tǒng)采用。通過(guò)這些器件的利用，使伺服單元輸出回路的功耗有所下降，系統(tǒng)的反映速度也有所加強(qiáng)，消除工作噪聲。尤其是開(kāi)始使用智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡(jiǎn)稱(chēng)IPM）伺服控制系統(tǒng)，其將能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)、輸入隔離及故障診斷等功能全都集成在了一個(gè)不是很大的模塊當(dāng)中。

4、高度集成化

新型的伺服系統(tǒng)將原有伺服系統(tǒng)劃分方法進(jìn)行了升級(jí)，利用單一的、集成且功能強(qiáng)大的控制單元控制系統(tǒng)。同一控制單元有相同功能的，其單元的性能可以通過(guò)軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)來(lái)改變。此外，還可以通過(guò)接口和外部設(shè)備位置或者力矩傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)改變。使得設(shè)備本身自帶傳感器組成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。在集成化提高的同時(shí)，也明顯減少了整個(gè)控制系統(tǒng)的空間，使整個(gè)設(shè)備的安裝和調(diào)試簡(jiǎn)單化。

5、智能化方面

目前所有工業(yè)控制設(shè)備發(fā)展的大趨勢(shì)就是智能化，而伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置也不可避免。智能型產(chǎn)品是如今最新的信息化伺服控制單元的設(shè)計(jì)形式。而所謂的智能則主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)功能上：首先，參數(shù)記憶的功能可以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)人機(jī)對(duì)話，完成系統(tǒng)中所有參數(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì)，利用軟件設(shè)置的方法進(jìn)行相應(yīng)的修改，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)保存伺服單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用通信接口和上位計(jì)算機(jī)來(lái)修改相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)。其次，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有自診斷系統(tǒng)，可以進(jìn)行自身故障分析，將系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題原因和診斷結(jié)果實(shí)時(shí)反映到用戶的界面，便于工作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和及時(shí)維護(hù)。最后，某些伺服系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了參數(shù)自整定的程序。與此同時(shí)，為了使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定，必須要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，耗費(fèi)大量人力、物力。伺服單元帶有自整定功能的可以在試運(yùn)行的過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)整定，使設(shè)備達(dá)到最優(yōu)化的程度，這也是伺服系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向，對(duì)用戶提供新型服務(wù)。

6、高抗干擾性

伺服系統(tǒng)有兩方面的抗干擾能力，其中一方面是對(duì)于周邊設(shè)備，伺服系統(tǒng)沒(méi)有干擾；另一方面是伺服系統(tǒng)不被周邊設(shè)備所干擾。從干擾介質(zhì)上分類(lèi)干擾為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾等。解決辦法也應(yīng)該從干擾源上分析來(lái)著手解決，防止干擾的常用方法有：加超導(dǎo)磁環(huán)、隔離、濾波器、屏蔽等。有專(zhuān)家提出了一種消除干擾脈沖和因電機(jī)軸抖動(dòng)而產(chǎn)生的誤碼脈沖的算法，將此算法應(yīng)用于實(shí)際的交流伺服控制系統(tǒng)中，結(jié)果顯示在編碼器分辨率不變的前提下，系統(tǒng)的檢測(cè)精度得到極大提高。

7、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化

在國(guó)外，工廠自動(dòng)化（Factory Automation，F(xiàn)A）工程技術(shù)在飛速發(fā)展，并且顯示發(fā)展勢(shì)頭非常旺盛。它以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的，為適應(yīng)工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，專(zhuān)用的局域網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)如RS-232C或RS-422等串行通信接口在新型的伺服系統(tǒng)中都有配置。設(shè)置這些接口使伺服單元同其他控制設(shè)備之間相互聯(lián)接的能力明顯的增強(qiáng)了，進(jìn)而也更容易與CNC控制系統(tǒng)相連接了，想要把幾臺(tái)甚至是數(shù)十臺(tái)的伺服單元與上位計(jì)算機(jī)連接組合成一個(gè)大的數(shù)控系統(tǒng)，僅僅用一根光纜或者是電纜就可以做到。此外，還可通過(guò)串行接口，連接可編程控制器（PLC）的數(shù)控模塊。