伺服系統(tǒng)—機電一體化關(guān)鍵技術(shù)

“伺服機構(gòu)系統(tǒng)”源自servomechanism system，系指經(jīng)過閉環(huán)控制方式達到一個機械系統(tǒng)位置、速度、或加速度控制的系統(tǒng)。一個伺服系統(tǒng)的構(gòu)成通常包含被控對象（plant）、驅(qū)動器（actuator）、控制器（controller）等幾個部分，被控對象系指被控制的物體，例如一個機械手臂，或是一個機械工作平臺。驅(qū)動器的功能在于主要提供被控對象的動力，可能以氣壓、液壓、或是電力驅(qū)動的方式呈現(xiàn)，若是采用液壓驅(qū)動方式，一般稱之為液壓伺服系統(tǒng)。目前盡大多數(shù)伺服系統(tǒng)采用電力驅(qū)動方式，驅(qū)動器包含了電機與功率放大器，特別設(shè)計應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的電機蒙古自治區(qū)稱之為伺服電機（servo motor），通常內(nèi)部含有位置反饋裝置，如光電編碼器（optical encoder）或是旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver），目前主要應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界的伺服電機包括直流伺服電機、永磁交流伺服電機和感應(yīng)交流伺服電機，其中又以永磁交流伺服電機占盡大多數(shù)。控制器的功能在于提供整個伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，如轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位置控制等。目前一般產(chǎn)業(yè)用伺服驅(qū)動器（servo drive）通常包含了控制器和功率放大器。

一個傳統(tǒng)伺服機構(gòu)系統(tǒng)的組成如圖1所示，伺服驅(qū)動器主要包含功率放大器與伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器與轉(zhuǎn)矩控制器，電機通常提供模擬式的速度反饋信號，控制界面采用±10V的模擬信號，經(jīng)過外回路的模擬命令，可直接控制電機的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。采用這種伺服驅(qū)動器，通常必須再加上一個位置控制器（position controller）才能完成位置控制。圖2所示是一個現(xiàn)代的伺服機構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中的伺服驅(qū)動器包含了伺服控制器與功率放大器，伺服電機提供高分辨率的光電編碼器反饋信號。

什么是伺服系統(tǒng)？

伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)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)。

它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

注意：伺服系統(tǒng)不單單指以伺服電機構(gòu)成的電氣伺服系統(tǒng)，還有以伺服閥構(gòu)成的液壓伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)調(diào)試步驟

初始化參數(shù)

在接線之前，先初始化參數(shù)。在控制卡上：選好控制方式；將PID參數(shù)清零；讓控制卡上電時默認使能信號關(guān)閉；將此狀態(tài)保存，確保控制卡再次上電時即為此狀態(tài)。

在伺服電機上：設(shè)置控制方式；設(shè)置使能由外部控制；編碼器信號輸出的齒輪比；設(shè)置控制信號與電機轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系。一般來說，建議使伺服工作中的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速對應(yīng)9V的控制電壓。

接線

將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號線、伺服輸出的編碼器信號線。復(fù)查接線沒有錯誤后，伺服電機和控制卡（以及PC）上電。此時電機應(yīng)該不動，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動，如果不是這樣，檢查使能信號的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動電機，檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化，否則檢查編碼器信號的接線和設(shè)置。

試方向

對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號的方向不正確，后果肯定是災(zāi)難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號。這是伺服應(yīng)該以一個較低的速度轉(zhuǎn)動，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個指令或參數(shù)，看電機的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個指令（參數(shù)）控制。

如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認給出正數(shù)，電機正轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)增加；給出負數(shù)，電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)減小。如果電機帶有負載，行程有限，不要采用這種方式。測試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機上的參數(shù)，使其一致。

抑制零漂

在閉環(huán)控制過程中，零漂的存在會對控制效果有一定的影響，最好將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細調(diào)整，使電機的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性，所以，不必要求電機轉(zhuǎn)速絕對為零。

建立閉環(huán)控制

再次通過控制卡將伺服使能信號放開，在控制卡上輸入一個較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺了，如果實在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開。這時，電機應(yīng)該已經(jīng)能夠按照運動指令大致做出動作了。

調(diào)整閉環(huán)參數(shù)

細調(diào)控制參數(shù)，確保電機按照控制卡的指令運動，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗，這里只能從略了。