伺服系统

　　伺服(Servo)一词源自希腊的 “Servus”，意为“奴隶”。伺服是运动控制系统中的重要术语，指运动控制系统中的执行机构像奴隶一样，跟随外部指令忠实的执行人们所期望的运动，运动要素主要包括位置、速度、加速度和力矩或扭矩。

　　伺服系统是随动系统的一种，当被控量是位置或位置的导数（速度、加速度）时，随动系统称为伺服系统。

　　GB/T 16439 2009交流伺服系统通用技术条件相关定义

　　交流伺服系统（AC sevo system）

　　以交流伺服电动机作为执行元件，使物体的位置/角度、速度、加速度或转矩等状态变量能够跟随输入控制信号目标值（或给定值）任意变化的自动控制系统。

　　交流伺服系统由交流伺服驱动器、交流伺服电动机和传感三个部分组成。

　　交流伺服驱动器按其控制电路和软件的实现方式可分为模拟量控制、数字模拟混合控制和全数字化控制。

　　交流伺服系统按其所用的电动机可分为：异步电动机伺服系统和永磁同步电动机伺服系统。

　　交流伺服控制系统按照控制方式可分为位置控制伺服系统、速度控制伺服系统和转矩控制伺服系统。

　　伺服系统由伺服驱动器，和伺服电机及相关传感测试装置构成，图1为伺服控制系统的典型构成原理。

图1．伺服系统典型构成

1、正反转速差率

2、转速调整率

　　伺服系统在额定转速条件下，仅电源电压变化，或仅环境温度变化，或仅负载变化，电动机的平均转速变化值与额定转速的百分比分别叫做电压变化的转速调整率、温度变化的转速调整率、负载变化的转速调整率。按式（2）计算转速调整率。

　　∆n= (|n_i-n_N |)/n_N ×100%   i=1,2…………（2）

3、转矩波动系数

　　伺服系统稳态运行时，对电动机施加恒定负载，瞬时转矩的最大值为T_max，最小是为T_min，则转矩波动系数K_fT为：

　　K_fT=(T_max-T_min)/(T_max-T_min )×100%…………（3）

　　式中：

　　K_fT——转矩波动系数；

　　T_max——瞬态转矩的最大值，N∙m；

　　T_min——瞬态转矩的最小值，N∙m。

3、转速波动系数

　　伺服系统稳态运行时，瞬时转速的最大值为n_max，则转速波动系数K_fn为：

4、伺服系统调速比

5、频带宽度

6、静态刚度

　　位置伺服系统处于空载零速工作状态，对电动机轴端正转方向和反转方向施加连续转矩T0，测量出转角的偏移量∆θ，则静态刚度K_s为;

　　K_s=T_0/∆θ…………（6）

　　式中：

　　K_s——静态刚度，N∙m/(′)；

　　T_0——连续转矩，N∙m；

　　∆θ——转角的偏移量，（′）。

7、惯量适应范围

　　伺服系统在不影响自身稳定性和调速比的前提下所能带的惯量负载的范围（一般以电动机的转子惯量的倍数表示）。

8、动态位置跟踪误差

　　伺服系统对输入信号的瞬态响应过程中，位置指令值与位置反馈值之差。

9、系统效率

　　电动机的输出机械功率与驱动器的输入有功功率之比。

　　为了适应数字控制系统的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或伺服电机作为执行电动机。虽然两者在给定方式上非常相似（如：脉冲信号或数字设定），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

　　注：由于伺服电机一般需要与伺服控制器一起构成系统，以下对比中所述的伺服电机的相关性能，均与控制器有关。

1、伺服电机的控制精度优于步进电机

　　两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°，某些高性能的步进电机步距角可达0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°。 

　　伺服电机的控制精度取决于旋转编码器。以采用四倍频技术的2500线编码器的电机而言，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于17位编码器的伺服电机而言，即其脉冲当量为360°/131072≈0.003°（约10″）。

2、伺服电机低速特性优于步进电机

　　步进电机在低速时易出现低频振动现象。伺服电机在低速时仍能平稳运行。

3、伺服电机的矩频特性优于步进电机

　　步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，可实现恒转矩控制，在额定转速以上实现恒功率控制。

4、伺服电机的过载能力优于步进电机

　　步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的超速或过转矩能力。其最大转矩可达到额定转矩的三倍甚至更高。

5、伺服电机的运行性能优于步进电机

　　步进电机一般采用开环控制，启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转的现象；停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。伺服电机一般采用闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，不会出现丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。

6、伺服电机响应速度优于步进电机

　　步进电机从静止到额定转速（一般几百转每分）一般需要几百毫秒。交流伺服电机从静止加速到其额定转速（如：3000转每分）仅需几毫秒。

　　综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。然而，对于要求不高的伺服系统，也可以作为选用步进电机作为执行机构。