1.關于伺服

1.1 名詞
　　“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思 。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉子靜止不動;訊號來到之后，轉子立即轉動;當訊號消失，轉子能即時自行停轉。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系統。

1.2 定義

       （1）伺服系統—是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值（或給定值）的任意變化的自動控制系統。

　?。?）在自動控制系統中，使輸出量能夠以一定的準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統稱為隨動系統，亦稱伺服系統。

       伺服的主要任務是按控制命令的要求，對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。

1.3 伺服系統的組成
　　伺服系統是具有反饋的閉環自動控制系統。它由位置檢測部分、誤差放大部分、執行部分及被控對象組成。

1.4伺服系統的性能要求
　　伺服系統必須具備可控性好，穩定性高和速應性強等基本性能。說明一下，可控性好是指訊號消失以后，能立即自行停轉;穩定性高是指轉速隨轉距的增加而均勻下降;速應性強是指反應快、靈敏、響態品質好。

1.5 伺服系統的種類
　　通常根據伺服驅動機的種類來分類，有電氣式、油壓式或電氣—油壓式三種。

        伺服系統若按功能來分，則有計量伺服和功率伺服系統;模擬伺服和功率伺服系統;位置伺服和加速度伺服系統等。

        電氣式伺服系統根據電氣信號可分為DC直流伺服系統和AC交流伺服系統二大類。AC交流伺服系統又有異步電機伺服系統和同步電機伺服系統兩種。

        這里只討論電氣式伺服系統中的一種—交流永磁同步電機伺服系統。

2. 交流永磁同步電機伺服系統

2.1 AC伺服系統

　　電氣伺服技術應用zui廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅動能源，沒有公害污染，維護也比較容易。特別是隨著電子技術和計算機軟件技術的發展，它為電氣伺服技術的發展提供了廣闊的前景。

        早在70年代，小慣量的伺服直流電動機已經實用化了。到了70年代末期交流伺服系統開始發展，逐步實用化，AC伺服電動機的應用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統的趨勢成為電氣伺服系統的主流。 永磁轉子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高，價格不斷下降，控制又比異步電機簡單，容易實現高性能的緣故，所以永磁同步電機的AC伺服系統應用更為廣泛。

        目前，在交流同步伺服驅動系統中，普通應用的交流永磁同步伺服電動機有兩大類。

        一類稱為無刷直流電動機，它要求將方波電流直入定子繞組（BLDCM）

        另一類稱為三相永磁同步電動機，它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。（PM•SM）

        無刷直流電動機（BLDCM），用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的電樞變為定子。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機（BLDCM）是將方波電流（實際上也是梯形波）直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉子顛倒一下，并采用永磁轉子，就可以省去機械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動機。 BLDCM定子每相感應電動勢為梯形波，為了產生恒定的電磁轉矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應電動勢為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。

        永磁同步電機的磁場來自電動機的轉子上的*磁鐵，*磁鐵的特性在很大程度上決定了電機的特性，目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧，鋁鎳鈷，釹鐵硼以及SmCO5 Sm2CO17.

        在轉子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形*磁鐵裝在轉子表面，即所謂外裝式；另一種是將形成*磁鐵埋入轉子里面，即所謂內裝式。*磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。

        根據確定的轉子結構所對應的每相勵磁磁動勢的分布不同，三相永磁同步電動機可分為兩種類型：正弦波型和方波型永磁同步電機，前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀，后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀，根據子路結構和永磁體形狀的不同而不同。對于徑向勵磁結構，永磁體直接面向均勻氣隙，如果采用系統永磁材料，由于稀土永磁的取向性好，可以方便的獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場。對于采用非均勻氣隙或非均勻磁化方向長度的永磁體的徑向勵磁結構，氣隙磁場波形可以實現正弦分布。

        綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動機的差異歸納如下:：

        控制原理相似，給定指令信號加到AC伺服系統的輸入端，電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較，根據比較結果控制伺服的運動，直至達到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統構成的基本思路是一致的。

         兩種永磁無刷電動機比較而言，方波無刷直流電動機具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統實現起來相對容易等優點。但是方波無刷直流電動機原理上存在固有缺陷，因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續性而存在電磁脈動，而這種脈動在高速運轉時產生噪聲，在中低速又是平穩的力矩驅動的主要障礙。轉矩脈動又使得電機速度控制特性惡化，從而限制了由其構成的方波無刷直流電動機伺服系統在高精度、高性能要求的伺服驅動場合下的應用（尤其是在低速直接驅動場合）。因此，對于一般性能的電伺服驅動控制系統，選用方波無刷直流電動機及相應的控制方式。而PM、SM伺服系統要求定子輸入三相正弦波電流，可以獲得更好的平穩性，具有更*的低速伺服性能。因而廣泛用于數控機床，工業機器人等高性能高精度的伺服驅動系統中。

3. 伺服系統的發展過程

        伺服系統的發展經歷了由液壓到電氣的過程,電氣伺服系統根據所驅動電機類型分為直流（DC）伺服系統和交流（AC）伺服系統。交流伺服系統按其采用的驅動電機類型又可分為永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統和感應式異步（IM型）電動機交流伺服系統。

         由于直流伺服電動機存在機械結構復雜, 維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅動技術發展的瓶頸。隨著微處理技術、大功率電力電子技術的成熟和電機永磁材料的發展和成本降低, 交流伺服系統得到長足發展并將逐步取代直流伺服系統。

         1990年以前，由于技術成本等原因，國內伺服電機以直流永磁有刷電機和步進電機為主，而且主要集中在機床和國防軍工行業。1990年以后，進口永磁交流伺服電機系統逐步進入中國，此期間得益于稀土永磁材料的發展、電力電子及微電子技術日新月異的進步，交流伺服電機的驅動技術也很快從模擬式過渡到全數字式。由于交流伺服電機的驅動裝置采用了先進全數字式驅動控制技術，硬件結構簡單，參數調整方便，產品生產的一致性可靠性增加，同時可集成復雜的電機控制算法和智能化控制功能，如增益自動調整、網絡通訊功能等，大大拓展了交流伺服電機的適用領域；另外隨著各行業，如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、自動化生產線等，對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高，這些領域對交流伺服電機的需求將迅猛增長，交流伺服將逐步替代原有直流有刷伺服電機和步進電機。

         正弦波交流伺服系統綜合了伺服電動機、角速度和角位移傳感器的成就，與采用新型電力電子器件、集成電路和控制算法的交流伺服驅動器相匹配，組成新型高性能機電一體化產品。使原有的直流伺服系統面臨淘汰的危機，成為當今世界伺服驅動的主流及發展方向。正弦波交流伺服廣泛使用于航空、航天、兵器、船舶、電子及核工業等領域，如自行火炮、衛星姿態控制、雷達驅動、機載吊艙定位系統、戰車火控及火力系統、水下滅雷機器人等。

4.伺服電機的應用

松下交流伺服電機（AC Servo） A4系列

4.1. 快速使用

電機運轉必須的三根電纜：動力電纜；電機動力線，電機編碼器線。

控制線接口X5：

伺服使能必須接的引腳：DC24V電源（7,41） 伺服使能SRV-ON（29）

控制信號：位置控制-----（脈沖方向輸入3，4，5，6）

速度控制-----（模擬量輸入14，15 0到±10V）

扭矩控制------（模擬量輸入 14,15）

其他輔助控制功能：

          10點輸入：①伺服使能②模式選擇③增益切換④報警清除。。。

          6點輸出： ①報警（ALM）②準備（S-RDY）③制動器釋放（BRK-OFF）④零速檢測（ZSP）⑤轉矩控制TLC。。。⑥定位完成或者速度到達。

         它比步進系統就多了一個編碼器反饋，構成了一個閉環系統，當然這個閉環僅僅是相對而言。伺服系統現在逐漸取代了步進系統，所以大家會逐漸熟悉。