智能工业基础零部件之伺服系统

伺服系统是一种自动化运动控制装置，主要用于精确地实现对机械部件的位置、方位、状态等进行控制。伺服系统决定了自动化机械的精度、控制速度和稳定性，是工业自动化设备的核心。

伺服系统由伺服驱动器、伺服电机、编码器三部分组成。伺服驱动器负责将从控制器接收到的信息分解为单个自由度系统能够执行的命令，再传递给执行机构（伺服电机）；伺服电机将收到的电流信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，实现每一个关节的角度、角速度和关节转矩的控制；编码器作为伺服系统的反馈装置，很大程度上 决定伺服系统精度。编码器安装在伺服电机上，与电机同步旋转，电机转一圈编码器也转一圈，转动的同时将编码信号送回控制器，控制器据以判断伺服电机的转向、转速、位置信息。

近代工业兴起以来，伺服控制系统主要经历了机械、液压、电气化伺服等3 个阶段。现代意义上的伺服控制系统 通常是指电气伺服，电气伺服又走过几个不同的历史阶段：

第一阶段：20 世纪 60 年年代前。电气伺服系统普遍采用功率步进电机作为动力源，一般不设计反馈回路，以开环控制为主；

第二阶段：20 世纪 60 年-70 年代。直流电机开始广泛应用于电气伺服领域，这一阶段主要以直流有刷电机作为驱动源，多用旋转变压器、测速发电机、编码器等传感装置构成闭环控制系统；

第三阶段：20 世纪 80 年代以来。新技术及新材料的飞跃促使电气伺服进入交流伺服时代，执行电机通常以永磁同步电机为代表，并逐步占据了当今伺服领域主要市场。

伺服系统的分类

伺服系统按照执行元件不同分为液压伺服系统、电气伺服系统和气动伺服系统。

液压伺服控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。液压伺服控制系统按照偏差信号获得和传递 方式的不同分为机-液、电-液、气-液等，其中应用较多的是机-液和电-液控制系统。

目前应用最为广泛的是电气伺服系统。电气伺服系统又可以进一步分为直流伺服系统和交流伺服系统。直流伺服 电机由于具有低电枢感应电抗，因此可实现精确和快速的启动或停止功能。它们多用于能通过微控制器或计算机 控制的装备上。

交流伺服电机包含编码器，它与控制器一起提供闭环控制和反馈。通常，交流伺服电机都有更先 进的设计，同时配备更优良的轴承，交流伺服电机的工作电压更高，因此扭矩也更大，精度也更高，交流伺服电 机主要运用于机器人、自动化装备和 CNC 等机械设备上。

伺服系统按照功率大小目前可以分为小型伺服、中型伺服和大型伺服系统。按照伺服市场销售情况分析，小型伺服应用快速提升，占比达到 45%，主要原因是近年来 3C 行业快速上涨；中型伺服由于近年来机床行业等传动设备制造业低中国各类型伺服占比迷的影响，市场规模在 37%左右；大型伺服系统占比相对稳定，在 18%左右。

伺服电机与步进电机性能比较

步进电机工作原理：步进电机主要是将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就会驱动步进电机按照设定的方向转动一个固定的角度（成为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步 运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲的频率来控 制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

伺服电机工作原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

伺服电机性能更优，但是成本更高。通过对比伺服电机与步进电机的性能可知，相对于步进电机，伺服电机在控制精度、运转的平稳性、转速、过载能力、响应速度等方面均有明显优势。但是步进电机在成本以及维护等方面更具优势。

伺服电机和步进电机均有自身的特点，会存在相互渗透的可能性。对于应用场景要求更高，涉及到动态 负载变化的高速应用，比如机械臂，选择伺服电机更加合适；对于降低成本要求比较高，且对扭矩要求较高的应用场景，比如 3D 打印机、传送带、副轴等应用场景，步进电机更加合适。