工業(yè)機器人有4大組成部分，分別為本體、伺服、減速器和控制器。而其中，工業(yè)機器人電動伺服系統(tǒng)的一般結構為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對于交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數(shù)進行人工設定而實現(xiàn)位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

伺服系統(tǒng)(servomechanism)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)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)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)是以變頻技術為基礎發(fā)展起來的產(chǎn)品，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)除了可以進行速度與轉矩控制外，還可以進行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復現(xiàn)某個給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動系統(tǒng)。

狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)，其被控制量(輸出量)是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量(輸入量)作任意變化時，系統(tǒng)的主要任務是使輸出量快速而準確地復現(xiàn)給定量的變化。

伺服系統(tǒng)的結構組成

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。

伺服系統(tǒng)組成原理框圖

1、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計算機或PID(比例、積分和微分)控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4、被控對象

被控對象指被控制的物件，例如一個機械手 臂，或是一個機械工作平臺。

5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。

伺服系統(tǒng)的特點和功用

伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質上差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成，具有以下特點：

必須具備高精度的傳感器，能準確地給出輸出量的電信號。

功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。

足夠大的調速范圍及足夠強的低速帶載性能。

快速的響應能力和較強的抗干擾能力。

伺服系統(tǒng)的類型 按控制原理分：有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式

按被控制量性質分： 有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式

按驅動方式分： 有電氣、液壓和氣壓等伺服驅動形式

按執(zhí)行元件分： 有步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式

伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件

1、執(zhí)行元件的種類及其特點

(1)電氣式執(zhí)行元件

電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機、交流(AC)伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等。

(2)液壓式執(zhí)行元件

液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運動油缸、回轉油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點。

(3)氣壓式執(zhí)行元件

氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。

三種類型的區(qū)別

2、常用的控制用電機

控制用電機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件。它是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。機電一體化產(chǎn)品中常用的控制用電機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電機。

控制用電機有回轉和直線驅動電機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅動或反復啟動、停止的增量驅動以及復雜的驅動，而驅動精度隨驅動對象的不同而不同。

(1)伺服驅動電機一般是指：步進電機(Stepping Motor)、直流伺服電機(DC Servo Motor)、交流伺服電機(AC Servo Motor)

(2)常用伺服控制電動機的控制方式主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。

閉環(huán)系統(tǒng)的驅動系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié);開環(huán)系統(tǒng)沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)。

a、開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的(數(shù)控裝置→進給系統(tǒng))，故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。

這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。

b、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。

半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。

半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。

c、全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。

從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。

該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。

機器人的伺服系統(tǒng)

通常情況下，我們所說的機器人伺服系統(tǒng)是指應用于多軸運動控制的精密伺服系統(tǒng)。一個多軸運動控制系統(tǒng)是由高階運動控制器與低階伺服驅動器所組成，運動控制器負責運動控制命令譯碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等，其主要作用在于降低整體系統(tǒng)運動控制的路徑誤差;伺服驅動器負責伺服電機的位置控制，其主要作用在于降低伺服軸的追隨誤差。

機器人的伺服系統(tǒng)由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成，伺服電機是執(zhí)行機構，就是靠它來實現(xiàn)運動的，伺服驅動器是伺服電機的功率電源，指令機構是發(fā)脈沖或者給速度用于配合伺服驅動器正常工作的。

機器人對伺服電機的要求比其它兩個部分都高。首先要求伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數(shù)的大小來說明伺服電機快速響應的性能。其次，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。最后，伺服電機要具有控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續(xù)變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。

當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短。還要經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受數(shù)倍過載。

伺服驅動器是可利用各種電機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構，具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在機器人中應用比較廣泛。

國外知名伺服電機/系統(tǒng)制造商

倫茨(德國)

倫茨(lenze)是世界上著名的機電傳動產(chǎn)品制造商，主要產(chǎn)品有直流調速裝置、交流變頻器、交流伺服、各類電動機、小型傳動轉置、減速箱、變速器、制動器、離合器等。該公司現(xiàn)役的產(chǎn)品MCM同步伺服電機主打機器人市場，結構緊湊、負載與電機慣量比佳、外殼平滑、簡單易用，適合包裝、搬運等應用場景。博世力士樂(德國)

博世力士樂(BoschRexroth)作為德國博世集團的全資子公司.是全球工業(yè)技術市場的領先供應商，在傳動和控制領域聲譽卓著。該公司旗下產(chǎn)品種類繁多，主要集中在高質量電控、液壓、氣動、機電一體化元件和系統(tǒng)等領域。

路斯特(德國)

路斯特(lust)隸屬于柯爾柏集團，專注于向機器人/機床制造業(yè)提供通用型、可編程型及多軸運動控制型伺服驅動產(chǎn)品及相關解決方案的生產(chǎn)和貿(mào)易性企業(yè)。標準產(chǎn)品譜寬，涵蓋通用型、可編程型、多軸運動控制型，它們被廣泛的應用于各類產(chǎn)業(yè)機械和機床。

倍福(德國)

倍福(Beckhoff)基于PC的自動化新技術作為發(fā)展理念，所生產(chǎn)的工業(yè)PC、現(xiàn)場總線模塊、驅動產(chǎn)品和TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。

西門子(德國)

西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一，歷經(jīng)150年來常盛不衰，公司的業(yè)務主要集中于6大領域：信息和通訊、自動化和控制、電力、交通、醫(yī)療系統(tǒng)和照明。西門子的伺服電機種類豐富、結構緊湊，可實現(xiàn)卓越的動態(tài)特性和運行效率，性能等級全，安裝規(guī)格多樣。

歐系伺服特點是過載能力高，動態(tài)響應好，驅動器開放性強，且具有總線接口，包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)甚至無線網(wǎng)絡技術。但價格昂貴，體積重量大。(目前的高速伺服總線雖大多為開放標準，但技術都被國際化大公司所掌控。尤其是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術，如EtherCAT、 Profinet、 EtherNet/IP、SERCOS III等，在提升工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)的高性能方面起到了舉足輕重的作用。德國公司Beckhoff推出的EtherCAT近年來發(fā)展勢頭迅猛，成為大多數(shù)高性能驅動系統(tǒng)首選的網(wǎng)絡標準，安川、倫茨等國外伺服廠商已將EtherCAT 總線，作為下一代產(chǎn)品的總線標準。)

松下(日本)

松下是一家大型跨國企業(yè)，經(jīng)營產(chǎn)品涉及家電、數(shù)碼視聽電子、辦公產(chǎn)品、航空等諸多領域。松下旗下的松下電機主營電氣機電類服務，該公司推出的小型交流伺服電動機和驅動器頗受市場歡迎，其中大慣量系列適用于數(shù)控機床，中慣量系列適用于機器人(最高轉速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m)。

安川(日本)

安川電機是世界一流的傳動產(chǎn)品制造商，也是日本第一個做伺服電機的公司，其產(chǎn)品以穩(wěn)定快速著稱，性價比高，是全球銷售量最大，使用行業(yè)最多的伺服品牌。從一般工業(yè)用機械到半導體、電子零部件制造設備，安川都能提供適合于各種用途的最匹配的伺服、控制器產(chǎn)品。

三菱(日本)

三菱不是一家獨立的公司，而是由眾多的獨立公司組成的團體，該公司涉足采礦、造船、銀行、保險、倉儲、貿(mào)易、紙、鋼鐵、玻璃、電氣設備、飛機、石油和房地產(chǎn)等諸多領域，是日本的工業(yè)巨頭。三菱電機一直致力于提高產(chǎn)品性能，F(xiàn)A產(chǎn)品陣容涵蓋在亞洲占主導地位的可編程控制器(PLC)、人機界面(HMI)、交流伺服系統(tǒng)、變頻器、工業(yè)機器人以 及低壓配電產(chǎn)品。

三洋(日本)

三洋是是日本松下旗下的電器公司，瞄準中端市場。2012年4月1日起，該品牌被停止營運。三洋的Denki交流伺服驅動系統(tǒng)是最早進入國內的伺服系統(tǒng)之一，以其卓越的性能高速精確靈活使用壽命長性價比高等特點聞名于世，可以實現(xiàn)不同控制方式的切換、全閉環(huán)控制、具有輸出檢測功能、自動濾波功能、實時自整定功能，廣泛應用于冶金高爐印刷機械、包裝機械、紡織機械、塑膠機械、醫(yī)療設備、自動化生產(chǎn)線等領域。

日系伺服電機價格相對低，體積小，重量輕。但缺點也很明顯，就是動態(tài)響應能力相對弱，開放性較差。

ELMO(以色列)

Elmo Motion Control是一家專業(yè)開發(fā)緊湊型、高功率伺服電機的企業(yè)，25年來一直致力于為各種惡劣工業(yè)環(huán)境設計了伺服驅動器，同時提供先進的網(wǎng)絡運動控制器和完整的運動控制解決方案。該公司號稱自己打造的是全球最好的伺服電機。

SERVOTRONIX(美的)

servotronix(高創(chuàng))專注于運動控制領域業(yè)務，也是一家專業(yè)開發(fā)高性能伺服驅動器系列和運動控制解決方案的企業(yè)。該公司已被美的收購，未來將成為庫卡機器人伺服電機的主要供應商。

AMC(美國)

AMC(ADVANCED Motion Controls)是一家提供可靠和高性能運動控制系統(tǒng)的公司，創(chuàng)立于1987年，幾十年來一直保持小體量，只有300多名員工，其中40%是工程師。該公司的目標是成為最好的伺服公司，因此只生產(chǎn)伺服驅動領域的產(chǎn)品。依靠精湛的制造水平和先進的研發(fā)能力，近7年來，該公司客戶存留率高達91%。

COPLEY(美國)

和AMC一樣，Copley Controls也是一家專注于伺服驅動的公司，主要為廣泛的工業(yè)應用提供高性能運動控制解決方案，擁有超過25年的OEM合作經(jīng)驗。該公司產(chǎn)品的應用領域主要有半導體、生命科學、自動化裝備、機器人、測試/測量以及COTS軍工等。

以上這幾家公司是伺服控制技術的領軍者，它們的產(chǎn)品雖然在市場上份額不大，但代表伺服控制的技術發(fā)展導向。

國內知名伺服電機/系統(tǒng)制造商

伴隨這幾年數(shù)控化的普及，國內伺服產(chǎn)品的銷量保持了快速增長，伺服系統(tǒng)的自主研發(fā)、制造生產(chǎn)及應用已基本成熟，形成了一定的產(chǎn)品系列和自主配套能力，但產(chǎn)品在高性能、高可靠性方面，與國外名牌企業(yè)仍存在明顯差距，如國產(chǎn)品牌產(chǎn)品功率范圍多在3KW以內，中小功率居多，技術路線上與日系產(chǎn)品接近。

隨著工業(yè)機器人市場掀起熱潮，我國伺服系統(tǒng)與國外名牌企業(yè)的明顯差距已成為制約我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”。從技術上看，國產(chǎn)伺服電機主要有以下幾個缺陷：

一是外形普遍較長，外觀粗糙，很難應用在一些高檔機器人上面。尤其是在輕載6kg左右的桌面型機器人上，由于機器人手臂的安裝空間非常狹小，對伺服電機的長度有嚴格要求。

二是信號接插件的可靠性需要改進，而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機本體的集成設計的方向設計，方便安裝、調試、更換。

三是另一個核心技術就是高精度的編碼器，尤其機器人上用的多圈絕對值編碼器，嚴重依賴進口，是制約我國高檔機器人發(fā)展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機小型化繞不過去的核心技術。

四是缺失基礎性研究，包括絕對值編碼器技術、高端電機的產(chǎn)業(yè)化制造技術、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標的實用性驗證和考核標準的制定。

五是伺服系統(tǒng)各部分產(chǎn)業(yè)協(xié)同聯(lián)合不夠，導致伺服電機和驅動系統(tǒng)整體性能難以做好。

值得一提的是，除了以上五點工藝硬傷，許多國內伺服電機廠商還在繼續(xù)采用購買過時技術、硬件打造“國產(chǎn)”電機的做法，這樣生產(chǎn)出來的電機質量、穩(wěn)定性參差不齊，不僅擾亂市場，還打擊了企業(yè)內部自主研發(fā)的熱情，不利于長期的可持續(xù)發(fā)展。

目前我國國內較大規(guī)模的伺服品牌有20余家，這些制造商的部分產(chǎn)品質量、性能較為突出，可圈可點，顯示出了一定的獨立性和創(chuàng)新性。

臺達(臺灣)

臺達是知名華人自動化品牌，在全球自動化領域占據(jù)獨特地位。90年代初期，臺達采取自主研發(fā)的方式，開始進軍工業(yè)自動化領域?；谄湓?a target="_blank">電力電子領域的積累，臺達從變頻器產(chǎn)品起步，到后來PLC、伺服、HMI、CNC數(shù)控系統(tǒng)，再到基于PC-Based的PAC控制器、傳感器、機器視覺、工業(yè)機器人等全系列自動化產(chǎn)品，最后鎖定驅動、運動、控制三大領域。

士林(臺灣)

士林電機(shihlin)創(chuàng)立于1955年，主要開發(fā)重電、電裝、機器、自動化領域的相關產(chǎn)品。該公司和日本三菱合作密切，在廈門建有合資公司，據(jù)傳產(chǎn)品的用戶體驗與三菱電機不相上下。以士林SDH交流伺服系列為例，這系列電機采用臺灣最好的編碼器，響應速度全臺第一。

臺系品牌使用簡單，性能接近日系，但價格比日系品牌低廉，性價比高，在中低端市場發(fā)展較快。

匯川

深圳匯川主要從事自動化、新能源相關領域產(chǎn)品研發(fā)，是本土企業(yè)中伺服電機市場占有率最高的品牌。匯川在智能裝備、工業(yè)機器人領域推出了變頻器、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工業(yè)視覺系統(tǒng)、傳感器等核心部件及電氣解決方案等一系列工業(yè)自動化產(chǎn)品，目前已成為國內最大的中低壓變頻器與伺服系統(tǒng)供應商。匯川旗下幾款伺服電機都支持Ethercat以太網(wǎng)通訊協(xié)議。

固高

固高科技是國內技術領先的自動控制產(chǎn)品供應商，該公司自主研發(fā)的基于PC的開放式運動控制器、嵌入式運動控制器、網(wǎng)絡式運動控制器、計算機可編程自動化控制器產(chǎn)品與系統(tǒng)，綜合性能已達到了國際一流水平，填補了國內同行業(yè)的多項空白。固高主要為機器人運動控制提供系統(tǒng)。

華中數(shù)控

華中數(shù)控背靠中科大，研發(fā)能力出色，是國內最大的中高檔數(shù)控系列生產(chǎn)企業(yè)，旗下的車床伺服電機已達到國際中端水平。該公司的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服電機和GM7系列交流伺服主軸已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，是目前全國唯一擁有成套核心技術自主知識產(chǎn)權和自助配套能力的企業(yè)。

廣州數(shù)控

廣州數(shù)控面向數(shù)控機床行業(yè)、自動化控制領域、注塑制品行業(yè)，是全國最大的機床數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)廠商，突出優(yōu)勢是產(chǎn)業(yè)鏈齊全、規(guī)模龐大。該公司的伺服系統(tǒng)主要用于機床、包裝機械等方面。

英威騰

2011年，英威騰收購御能動力，并把該品牌打造成了紡織機械伺服系統(tǒng)的細分龍頭。英威騰主要為紡織機械企業(yè)提供整體解決方案，并在業(yè)內提供系列型號最為全面的防止伺服系統(tǒng)，目前該公司的伺服產(chǎn)品在紡織機械、包裝機械、數(shù)控車床、點膠機、LED分光編帶機貼片機等機器上有廣泛應用，性價比較高。

埃斯頓

南京埃斯頓有十幾年生產(chǎn)和銷售交流全數(shù)字化通用交流伺服驅動器和電機的歷史，產(chǎn)品廣泛應用于各類數(shù)控機床和自動化設備。公司于2012年成功完成了863計劃重大專項“工業(yè)機器人交流伺服系統(tǒng)驅動器和電機開發(fā)”，擁有了自主品牌的機器人專用交流伺服系統(tǒng)。目前，公司所有機器人使用的交流伺服系統(tǒng)均為自產(chǎn)，實現(xiàn)了國產(chǎn)核心零部件的突破。公司還成功開發(fā)了機器人專用“一拖六”交流伺服系統(tǒng)，為研制更經(jīng)濟高效的國產(chǎn)機器人提供了基礎。

機器人的工作表現(xiàn)受伺服系統(tǒng)影響極大，因而精密伺服系統(tǒng)的關鍵性能指標永遠都是先進性比較的首要因素。國外先進伺服系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地適應絕大多數(shù)應用的需求，其研發(fā)資源集中在個別高端應用及整體性能提升方面，處于精雕細刻階段。在工業(yè)4.0的大背景下，國產(chǎn)伺服任重而道遠，還需努力追趕。

審核編輯：湯梓紅