伺服系统组成、概述与控制原理（难得好文）

伺服系统既可以是开环控制⽅式，也可以是闭环控制⽅式。

⼀、伺服系统简述

伺服系统（servomechanism）指经由闭环控制⽅式达到对⼀个机械系统的位置、速度和加速度的控制。

⼀个伺服系统的构成包括被控对象、执⾏器和控制器（负载、伺服电动机和功率放⼤器、控制器和反馈装置）。

1. 执⾏器的功能在于提供被控对象的动⼒，其构成主要包括伺服电动机和功率放⼤器，伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等（位置传感器）。2. 控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驱动器通常包括控制器和功率放⼤器。3. 反馈装置除了位置传感器，可能还需要电压、电流和速度传感器。

下图为⼀般⼯业⽤伺服系统的组成框图，其中红⾊为伺服驱动器组成部分，黄⾊为伺服电机组成部分。

“伺服”——词源于希腊语“奴⾪”的意思。⼈们想把“伺服机构”当成⼀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。

⼆、常⽤参数

1、伺服电机铭牌参数

1. 法兰尺⼨2. 电机极对数

3. 电机额定输出功率

4. 电源电压规格：单相/三相

5. 电机惯量：分为⼤、中、⼩惯量，指的是转⼦本⾝的惯量，从响应⾓度来讲，电机的转⼦惯量应⼩为好；从负载⾓度来看，电机的转⾃惯量越⼤越好6. 电机出轴类型：键槽、扁平轴、光轴、减速机适配…7. 电机动⼒线定义：U: RED V：BLACK W: WHITE8. 额定转速

9. 编码器线数：2500/1250/1000/17B/20B

法兰是轴与轴之间相互连接的零件，⽤于管端之间的连接。

2、伺服驱动器铭牌参数

1. 额定输出功率2. 电源电压规格3. 编码器线数

3、伺服系统的性能指标

1. 检测误差：包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差，传感器本⾝固有，⽆法克服；

2. 系统误差：系统类型决定了系统误差。只要p+q>0，对阶跃输⼊信号就有⾜够的跟踪能⼒；对于速度输⼊信号,I型系统跟踪能⼒⼤幅削弱，跟随误差与开环传递函数的⽐例系数成反⽐，II型仍具有优良跟踪能⼒；对于加速度输⼊信号，仅II型系统能勉强跟随。

三、伺服电机相关

1、伺服电机的选型

1. 系统精度：需综合考虑转⼦转动惯量、电动机类型、转矩抖动等2. 电动机功率：负载⽅式及⼤⼩计算输出⼒矩3. 电动转速

4. 选配刹车：刹车⽤来在电机停⽌时候锁定位置，不让电机由于外⼒作⽤发⽣运动；并⾮在运⾏时刹车。5. 过载能⼒

2、伺服电机的反馈装置/电机转⼀圈所需脉冲数

2、伺服电机的反馈装置/电机转⼀圈所需脉冲数

伺服系统常⽤的检测元件以光电编码器最为常见。

编码器（encoder）是将信号（如⽐特流）或数据进⾏编制、转换为可⽤以通讯、传输和存储的信号形式的设备。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度⽅法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。增量式：每转过单位的⾓度就发出⼀个脉冲信号绝对式：就是对应⼀圈，每个基准的⾓度发出⼀个唯⼀与该⾓度对应⼆进制的数值，通过外部记圈器件可以进⾏多个位置的记录和测量

编码器和电流环没有任何联系，它的采样来⾃于电机的转动。

编码器线数：即编码器分辨率，也即⼀转所发出的脉冲数，例如2500线表⽰转⼀圈需要发送2500个脉冲，这说明伺服电机转⼀圈所需脉冲数是固定的，且与电机⾃带编码器参数相关。可以发现线数有两种，⼀种类似2500线、1600线等，⼀种为17位（17B）、20位（20B）等。前者为增量式编码器线数，后者为绝对式编码器线数，17B表⽰⼀转所需的脉冲数为2^17即131 072个脉冲。

四、伺服驱动器控制原理

运动伺服⼀般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环和位置环。

伺服的控制⽅式有3种，分别是位置控制、速度控制和转矩控制。

1、转矩控制（电流环/单环 控制）：转矩控制⽅式是通过外部模拟量的输⼊或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的⼤⼩。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的⼒矩⼤⼩，也可通过通讯⽅式改变对应的地址的数值来实现。主要应⽤于需要严格控制转矩的场合，在转矩模式下驱动器的运算最⼩，动态响应最快。单环控制难以满⾜伺服系统的动态要求，⼀般不采⽤。

2、速度控制（速度环、电流环/双环 控制）：通过模拟量的输⼊或脉冲的频率都可以进⾏转动速度的控制。速度控制包含了速度环和电流环。任何模式都必须使⽤电流环，电流环是控制的跟本。　　3、位置控制（三环控制）：伺服中最常⽤的控制。位置控制模式⼀般是通过外部输⼊的脉冲的频率来确定转动速度的⼤⼩，通过脉冲的个数来确定转动的⾓度（类似步进电机），也有些伺服可以通过通讯⽅式直接对速度和位移进⾏赋值（外部模拟量的输

⼊）。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以⼀般应⽤于定位装置。位置控制模式下系统进⾏了所有 3 个环的运算，此时的系统运算量最⼤，动态响应速度也最慢。

转矩控制：是指伺服驱动器仅对电机的转矩进⾏控制速度控制：是指驱动器仅对电机的转速和转矩进⾏控制位置控制：是指驱动器对电机的转速、转⾓和转矩进⾏控制

APR——位置调节器；ASR——速度调节器；ACR——电流调节器4、三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。

第⼀环为电流环，最内环。此环完全在伺服驱动器内部进⾏，其PID常数已被设定，⽆需更改。电流环的输⼊是速度环PID调节后的输出，电流环的输出就是电机的每相的相电流。**电流环的功能为对输⼊值和电流环反馈值的差值进⾏PD/PID调节。**电流环的反馈来⾃于驱动器内部每相的霍尔元件。电流闭环控制可以抑制起、制动电流，加速电流的响应过程。

第⼆环为速度环，中环。速度环的输⼊就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值。**电流环的功能为对输⼊值和速度环反馈值的差值进⾏PI调节。**速度环的反馈来⾃于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”的计算后得到的。

第三环为位置环，最外环。位置环的输⼊就是外部的脉冲。**位置环的功能为对输⼊值和位置环反馈值的差值进⾏P调节。**位置环的反馈来⾃于编码器反馈的脉冲信号经过“偏差计数器”的计算后得到的。位置调节器APR其输出限幅值是电流的最⼤值，决定着电动机的最⾼转速。

位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值，由很多因素决定。

多环控制系统调节器的设计⽅法是从内环到外环，逐个设计各环调节器，使每个控制环都是稳定的，从⽽保证整个控制系统的稳定性；每个环节都有⾃⼰的控制对象，分⼯明确，易于调整。这种设计的缺点在于对最外环控制作⽤的响应不会很快

5、伺服系统的增益参数

按照设备需求选择，选择好合适的控制模式后，需要对伺服增益参数进⾏合理的调整。使得伺服驱动器能快速、准确的驱动电机，最⼤限度发挥机械性能。伺服增益通过多个参数进⾏调整，它们之间会相互影响。

4. 位置⽐例增益：设置值越⼤，增益越⾼，刚度越⼤，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越⼩。但数值太⼤可能会引起振荡或超调；5. 位置前馈增益：位置环的前馈增益⼤，控制系统的⾼速响应特性提⾼，但会使系统的位置不稳定，容易产⽣振荡；

6. 速度⽐例增益：设置值越⼤，增益越⾼，刚度越⼤，相同频率指令脉冲条件下，速度滞后量越⼩。但数值太⼤可能会引起振荡或超调；7. 速度积分时间常数：设置值越⼩，积分速度越快。

8. 速度反馈滤波因⼦：数值越⼤，截⽌频率越低，电机产⽣的噪⾳越⼩；数值越⼩，截⽌频率越⾼，速度反馈响应越快。9. 最⼤输出转矩设置

五、伺服系统的设计

根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两⼤类。采⽤电流闭环控制后，⼆者具有相同的控制对象数学模型。因此可⽤相同的⽅法设计交流或直流伺服系统。

对于闭环伺服控制系统，常⽤串联校正或并联校正⽅式进⾏动态性能的调节。校正装置串联配置在前向通道的校正⽅式称为串联校正，⼀般把串联校正单元称作调节器，所以⼜称调节器校正；若校正装置与前向通道并⾏，称为并联校正。

调节器校正：常⽤的调节器有PD调节器、PI调节器和PID调节器。设计中根据实际伺服系统的特征进⾏选择。

六、系统接线及⾯板设置

此处仅作概述。系统接线

⾯板设置

七、伺服电动机与其它电动机的辨析

1、伺服电动机与普通电动机的区别

1. 普通电动机（有刷）多运⾏于开环控制，伺服电动机运⾏于闭环控制。2. 伺服电动机动态性⾼

3. 伺服电动机启动转矩⼤、调速范围宽4. 伺服电动机结构紧凑

5. 伺服电动机定⼦散热⽅便

2、伺服电动机与舵机的区别

舵机相当于简化版的完整的伺服系统。伺服电机都是三环控制，即电流环、速度环、位置环；舵机只检测位置环（⼀般⽤电位器）。

3、伺服电动机与步进电动机的区别

1. 步进电机多运⾏于开环控制，伺服电动机运⾏于闭环控制。（使⽤步进电机的场合，要么不需要位置反馈，要么在其他设备上进⾏位置反馈）2. 伺服电机控制精度和定位⾼于步进电机

3. 伺服电机低频特性好，过载能⼒⼤，响应时间短4. 伺服电机调速范围⼤于步进电动机

5. 步进电机只能接受脉冲信号，⼆私服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号

伺服电机和步进电机常被搞混，⼆者外形相似，区别点在于伺服电机尾部的反馈装置；此外步进电机⼀般都是⼀个引出线端，伺服电机由于带编码器所以有2个引线输出端（编码线和动⼒线）。