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)通常由專門的電路或計(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?？煽刂茊屋S，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)?；旌鲜胶腿珨?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)?？傮w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。
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審核編輯：湯梓紅

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