工業(yè)自動化之伺服系統(tǒng)行業(yè)綜述

一、伺服系統(tǒng)的定義

伺服來自英文單詞SERVO，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。

伺服系統(tǒng)是以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)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(zhuǎn)矩控制外，還可以進行、快速、穩(wěn)定的位置控制。

二、伺服系統(tǒng)的分類

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(zhì)分，有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)；按驅(qū)動方式分，有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)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。

三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程

50年代以前，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)液壓控制向電氣控制轉(zhuǎn)變；

60年代，直流伺服電機得到廣泛應用，其控制電路比較簡單，價格較低，但缺點是內(nèi)部有機械換向裝置，碳刷易磨損；

70年代，交流伺服控制系統(tǒng)和交流伺服電機逐步普及，取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導執(zhí)行電機；

80年代，伺服系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)逐步取代開環(huán)系統(tǒng)；

90年代以后，交流伺服系統(tǒng)由模擬控制向數(shù)字化控制進化。

四、伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

目前應用為廣泛的是電氣伺服系統(tǒng)，本文主要介紹電氣伺服系統(tǒng)，通常伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電機，以及伺服反饋裝置（編碼器）。

伺服驅(qū)動器屬于自動化控制系統(tǒng)中的驅(qū)動層，伺服電機屬于執(zhí)行層，編碼器通常內(nèi)置在伺服電機末端。

伺服驅(qū)動器，又被稱為伺服控制器、伺服放大器，是用來控制伺服電機的一種控制器。其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，是傳動技術(shù)的核心控制產(chǎn)品。

伺服驅(qū)動器可以通過速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)分別對伺服電機的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩進行相應控制。

伺服電機，在自動化控制系統(tǒng)往往與終端執(zhí)行機構(gòu)相連，因此也被成為執(zhí)行電機。伺服電機在伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其作用是將伺服控制器的脈沖信號轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)動的角位移和角速度。

伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，與普通電機相比其主要特點是，其通常搭配反饋裝置一起使用。

編碼器，也就是伺服電機的主要反饋裝置，安裝在伺服電機末端用來測量伺服電機轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器。伺服電機的控制度很大程度決定于編碼器的精度。

目前自控領(lǐng)域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。光電編碼器通過光電碼盤反射光信號數(shù)量確定電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度，而磁電編碼器通過磁場感應元器件來感應電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所帶來的磁場變化來確定電機轉(zhuǎn)子位置。

五、伺服系統(tǒng)的工作方式

伺服系統(tǒng)的工作過程可以簡單理解為上位機（PLC、控制卡）發(fā)出脈沖信號驅(qū)動伺服電機，由上位機來控制整個伺服運動，編碼器是一個反饋單元，用來檢查伺服電機執(zhí)行了多少脈沖信號并反饋給驅(qū)動器，從而進行閉環(huán)控制。

簡單來說，伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，電機帶著編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器的反饋型號輸送到控制器，控制器就能知道電機的運轉(zhuǎn)情況，從而得出電機的轉(zhuǎn)速，移動位置和移動距離等?？刂破鞲鶕?jù)編碼器反饋的信號經(jīng)過計算得出偏差結(jié)果，再次控制電機運動，糾正偏差，從而控制電機的轉(zhuǎn)速、位置、距離和力矩等系統(tǒng)變量。

六、數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置與機床主體之間，其主要功能是從數(shù)控裝置接收微小的電控信號，放大成強電信號，去驅(qū)動伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件——伺服電動機，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成伺服電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床各部件運動。

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機械位移為直接控制目標的自動控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動系統(tǒng)。

數(shù)控機床的CNC 裝置是數(shù)控機床發(fā)布命令的“大腦”，而伺服驅(qū)動則為數(shù)控機床的“四肢”，是一種 “執(zhí)行機構(gòu)”，它能夠地執(zhí)行來自CNC 裝置的運動指令。

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進給伺服系統(tǒng)，它控制機床各坐標軸的切削進給運動，以直線運動為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運動以旋轉(zhuǎn)運動為主。驅(qū)動裝置由驅(qū)動部件和速度控制單元組成。驅(qū)動部件由交流或直流電動機、位置檢測元件（例如旋轉(zhuǎn)變壓、感應同步器，光柵等）及相關(guān)的機械傳動和運動部件（滾珠絲杠副、齒輪副及工作臺等）組成。

七、伺服系統(tǒng)與變頻器

交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應用了變頻的技術(shù)，在直流電機的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié)?？梢哉f，伺服系統(tǒng)是以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品。

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素等功能?？沈?qū)動變頻電機、普通交流電機，主要是充當調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的角色。

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標的任意變化的自動控制系統(tǒng)。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、速度和位置控制的非常靈活方便。

目前，在工業(yè)應用上，速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，在有嚴格位置控制要求的場合中只能用交流伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)，有些對速度的精度和響應要求高的場合也有用交流伺服驅(qū)動器控制的。

八、伺服系統(tǒng)的市場分析

根據(jù)工控網(wǎng)數(shù)據(jù)，2016年伺服系統(tǒng)恢復業(yè)績增長，市場規(guī)模達到86億，增長率40%，受2008年金融危機以及2009年國內(nèi)經(jīng)濟刺激計劃影響，2011-2015年國內(nèi)制造業(yè)固定資產(chǎn)投資持續(xù)不景氣，帶來伺服系統(tǒng)市場需求增長率持續(xù)下跌。2016年開始，國內(nèi)制造業(yè)投資出現(xiàn)復蘇跡象，伺服系統(tǒng)也恢復快速增長。

根據(jù)《中國制造2025》規(guī)劃，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級，以及新興產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)自動化趨勢下伺服系統(tǒng)需求將持續(xù)增長，按照政策規(guī)劃測算可以保持每年10%以上的增速，在 2020年達到百億級市場。