伺服系统—机电一体化关键技术

“伺服机构系统”源自servomechanism system，系指经过闭环控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统。一个伺服系统的构成通常包含被控对象（plant）、驱动器（actuator）、控制器（controller）等几个部分，被控对象系指被控制的物体，例如一个机械手臂，或是一个机械工作平台。驱动器的功能在于主要提供被控对象的动力，可能以气压、液压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用液压驱动方式，一般称之为液压伺服系统。目前尽大多数伺服系统采用电力驱动方式，驱动器包含了电机与功率放大器，特别设计应用于伺服系统的电机蒙古自治区称之为伺服电机（servo motor），通常内部含有位置反馈装置，如光电编码器（optical encoder）或是旋转变压器（resolver），目前主要应用于产业界的伺服电机包括直流伺服电机、永磁交流伺服电机和感应交流伺服电机，其中又以永磁交流伺服电机占尽大多数。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、速度控制和位置控制等。目前一般产业用伺服驱动器（servo drive）通常包含了控制器和功率放大器。

一个传统伺服机构系统的组成如图1所示，伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器与转矩控制器，电机通常提供模拟式的速度反馈信号，控制界面采用±10V的模拟信号，经过外回路的模拟命令，可直接控制电机的转速或转矩。采用这种伺服驱动器，通常必须再加上一个位置控制器（position controller）才能完成位置控制。图2所示是一个现代的伺服机构系统结构图，其中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服电机提供高分辨率的光电编码器反馈信号。

什么是伺服系统？

伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。

它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

注意：伺服系统不单单指以伺服电机构成的电气伺服系统，还有以伺服阀构成的液压伺服系统。

伺服系统调试步骤

初始化参数

在接线之前，先初始化参数。在控制卡上：选好控制方式；将PID参数清零；让控制卡上电时默认使能信号关闭；将此状态保存，确保控制卡再次上电时即为此状态。

在伺服电机上：设置控制方式；设置使能由外部控制；编码器信号输出的齿轮比；设置控制信号与电机转速的比例关系。一般来说，建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。

接线

将控制卡断电，连接控制卡与伺服之间的信号线。以下的线是必须要接的：控制卡的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。复查接线没有错误后，伺服电机和控制卡（以及PC）上电。此时电机应该不动，而且可以用外力轻松转动，如果不是这样，检查使能信号的设置与接线。用外力转动电机，检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化，否则检查编码器信号的接线和设置。

试方向

对于一个闭环控制系统，如果反馈信号的方向不正确，后果肯定是灾难性的。通过控制卡打开伺服的使能信号。这是伺服应该以一个较低的速度转动，这就是传说中的“零漂”。一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。使用这个指令或参数，看电机的转速和方向是否可以通过这个指令（参数）控制。

如果不能控制，检查模拟量接线及控制方式的参数设置。确认给出正数，电机正转，编码器计数增加；给出负数，电机反转转，编码器计数减小。如果电机带有负载，行程有限，不要采用这种方式。测试不要给过大的电压，建议在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或电机上的参数，使其一致。

抑制零漂

在闭环控制过程中，零漂的存在会对控制效果有一定的影响，最好将其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飘的参数，仔细调整，使电机的转速趋近于零。由于零漂本身也有一定的随机性，所以，不必要求电机转速绝对为零。

建立闭环控制

再次通过控制卡将伺服使能信号放开，在控制卡上输入一个较小的比例增益，至于多大算较小，这只能凭感觉了，如果实在不放心，就输入控制卡能允许的最小值。将控制卡和伺服的使能信号打开。这时，电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。

调整闭环参数

细调控制参数，确保电机按照控制卡的指令运动，这是必须要做的工作，而这部分工作，更多的是经验，这里只能从略了。

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