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帶你深入了解機(jī)器人熱潮中的伺服系統(tǒng)
若說當(dāng)下的熱門科技，機(jī)器人算一個(gè)。機(jī)器人作為典型的機(jī)電一體化技術(shù)密集型產(chǎn)品，它是如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)作的呢？
機(jī)器人的控制分為機(jī)械本體控制和伺服機(jī)構(gòu)控制兩大類，伺服控制系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械本體控制和伺服機(jī)構(gòu)控制的重要部分。因而要了解機(jī)器人的運(yùn)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(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)除了可以進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，還可以進(jìn)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(fù)現(xiàn)某個(gè)給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動(dòng)系統(tǒng)。
狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)，其被控制量（輸出量）是負(fù)載機(jī)械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）作任意變化時(shí)，系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化。
伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)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(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
2、控制器
控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID（比例、積分和微分）控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)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(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。
4、被控對象
被控對象指被控制的物件，例如一個(gè)機(jī)械手 臂，或是一個(gè)機(jī)械工作平臺(tái)。
5、檢測環(huán)節(jié)
檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路。
伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)和功用
伺服系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上差別，它能根據(jù)指令信號(hào)地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成，具有以下特點(diǎn)：
必須具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號(hào)。
功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。
足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性能。
快速的響應(yīng)能力和較強(qiáng)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(zhì)分： 有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式
按驅(qū)動(dòng)方式分： 有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動(dòng)形式
按執(zhí)行元件分： 有步進(jìn)電機(jī)伺服、直流電機(jī)伺服和交流電機(jī)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(diǎn)
（1）電氣式執(zhí)行元件
電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（AC）伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是zui常用的執(zhí)行元件。對伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)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(diǎn)。
（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(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)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(jī)
控制用電機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件。它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。機(jī)電一體化產(chǎn)品中常用的控制用電機(jī)是指能提供正確運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜動(dòng)作的伺服電機(jī)。
控制用電機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)啟動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度隨驅(qū)動(dòng)對象的不同而不同。
（1）伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是指：步進(jìn)電機(jī)（Stepping Motor）、直流伺服電機(jī)(DC Servo Motor)、交流伺服電機(jī)(AC Servo Motor)
（2）常用伺服控制電動(dòng)機(jī)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(qū)動(dòng)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(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。
這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。
半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。
半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)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(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。
從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)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(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)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(jī)床等。
機(jī)器人的伺服系統(tǒng)
通常情況下，我們所說的機(jī)器人伺服系統(tǒng)是指應(yīng)用于多軸運(yùn)動(dòng)控制的精密伺服系統(tǒng)。一個(gè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由高階運(yùn)動(dòng)控制器與低階伺服驅(qū)動(dòng)器所組成，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制命令譯碼、各個(gè)位置控制軸彼此間的相對運(yùn)動(dòng)、加減速輪廓控制等等，其主要作用在于降低整體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的路徑誤差;伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的位置控制，其主要作用在于降低伺服軸的追隨誤差。
機(jī)器人的伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、指令機(jī)構(gòu)三大部分構(gòu)成，伺服電機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就是靠它來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，伺服驅(qū)動(dòng)器是伺服電機(jī)的功率電源，指令機(jī)構(gòu)是發(fā)脈沖或者給速度用于配合伺服驅(qū)動(dòng)器正常工作的。