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帶你深入了解機器人熱潮中的伺服系統(tǒng)
若說當下的熱門科技,，機器人算一個,。機器人作為典型的機電一體化技術密集型產品,，它是如何實現(xiàn)運作的呢,？
機器人的控制分為機械本體控制和伺服機構控制兩大類,，伺服控制系統(tǒng)則是實現(xiàn)機器人機械本體控制和伺服機構控制的重要部分。因而要了解機器人的運作過程,，必然繞不過伺服系統(tǒng),。
伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是以變頻技術為基礎發(fā)展起來的產品，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、快速,、穩(wěn)定的位置控制,。
廣義的伺服系統(tǒng)是地跟蹤或復現(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，它能根據指令信號地控制執(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*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
?。?）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zui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zui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。
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)
?。?）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。