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1基本概念

伺服機(jī)構(gòu)理論（servomechansim theory）起源于二次世界大戰(zhàn)期間，美軍為了發(fā)展具有自動(dòng)控制功能的雷達(dá)追蹤系統(tǒng)，委托了麻省理工學(xué)院發(fā)展控制機(jī)械系統(tǒng)的閉回路控制技術(shù)，以強(qiáng)化巡航導(dǎo)彈等導(dǎo)向武器度，此一發(fā)展奠定了后來(lái)伺服機(jī)構(gòu)理論的基礎(chǔ)。而微處理器及集成電路的不斷進(jìn)化，不僅帶動(dòng)了資訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也間接帶動(dòng)了伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。 

2構(gòu)造

伺服機(jī)構(gòu)（servomechanism）是指經(jīng)由閉回路控制方式達(dá)到一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)位置、速度、或加速度控制的系統(tǒng)。
一個(gè)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成通常包含受控體（plant）、致動(dòng)器（actuator）、傳感器（sensor）、控制器（controller）等幾個(gè)部分。

受控體

系指被控制的物件，例如一個(gè)機(jī)械手臂，或是一個(gè)機(jī)械工作平臺(tái)。

致動(dòng)器

它的功能在于主要提供受控體的動(dòng)力，可能以氣壓、油壓、或是電力驅(qū)動(dòng)的方式呈現(xiàn)，若是采用油壓驅(qū)動(dòng)方式，則為油壓伺服系統(tǒng)。
絕大多數(shù)的伺服系統(tǒng)采用電力驅(qū)動(dòng)方式，致動(dòng)器包含了馬達(dá)與功率放大器，例如應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的特別設(shè)計(jì)馬達(dá)稱(chēng)之為伺服馬達(dá)（servo motor），其裝置內(nèi)含位置回授裝置，如光電編碼器（optical encoder）或是解角器（resolver）。

控制器

一個(gè)傳統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成，伺服驅(qū)動(dòng)器主要包含功率放大器與伺服控制器。
以伺服馬達(dá)為例，其伺服控制器通常包含速度控制器與扭矩控制器，馬達(dá)通常提供類(lèi)比式的速度回授信號(hào)，控制界面采用±10V的類(lèi)比訊號(hào)，經(jīng)由外回路的類(lèi)比命令，可直接控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速或扭矩。采用這種伺服驅(qū)動(dòng)器，通常必須再加上一個(gè)位置控制器（position controller），才能完成位置控制。
主要應(yīng)用于工業(yè)界的伺服馬達(dá)包括直流伺服馬達(dá)、永磁交流伺服馬達(dá)、與感應(yīng)交流伺服馬達(dá)，其中又以永磁交流伺服馬達(dá)占絕大多數(shù)。控制器的功能在于提供整個(gè)伺服系統(tǒng)的閉路控制，如扭矩控制、速度控制、與位置控制等。
一般工業(yè)用伺服驅(qū)動(dòng)器（servo drive）通常包含了控制器與功率放大器。伺服驅(qū)動(dòng)器包含了伺服控制器與功率放大器，伺服馬達(dá)提供分辨率的光電編碼器回授信號(hào)。

3伺服機(jī)構(gòu)作用

伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得的位置、速度及動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)是一種把動(dòng)力機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間裝置，是一種扭矩和轉(zhuǎn)速的變換器，其目的是在動(dòng)力機(jī)與負(fù)載之間使扭矩得到合理的匹配，并可通過(guò)機(jī)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的速度調(diào)節(jié)。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)的伺服變速功能在很大程度上代替了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)中的變速機(jī)構(gòu)，只有當(dāng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍滿(mǎn)足不了系統(tǒng)要求時(shí)，才通過(guò)傳動(dòng)裝置變速。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)指標(biāo)要求很高，因此機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置不僅僅是解決伺服電機(jī)與負(fù)載間的力矩匹配問(wèn)題。而更重要的是為了提高系統(tǒng)的伺服性能。為了提高機(jī)械系統(tǒng)的伺服性能，要求機(jī)械傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、摩擦小、阻尼合理。

4伺服機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，過(guò)載能力大：一般伺服電機(jī)具有細(xì)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比普通電動(dòng)機(jī)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)；直流伺服電機(jī)具有5—8倍的過(guò)載能力，交流伺服電機(jī)具有3—5倍的過(guò)載能力。由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，過(guò)載能力大，具有很高的加/減速能力。對(duì)CNC機(jī)床要求伺服電機(jī)帶慣性負(fù)載加速到高轉(zhuǎn)速的時(shí)間小于100ms（間接判據(jù)）
2、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，低速性能好，調(diào)速范圍大：伺服電機(jī)鐵芯槽數(shù)多，換向器片數(shù)多（直流伺服電機(jī)），正弦波電流驅(qū)動(dòng)（交流伺服電機(jī)），因此轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，低速性能好。Kollmorgen公司的B/M系列伺服電機(jī)在BDS5系列伺服放大器驅(qū)動(dòng)下，速度分辨率為0.00005rpm，調(diào)速范圍為15000000:1。實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏度為1角秒。
3、電機(jī)壽命長(zhǎng)，防護(hù)等級(jí)高：伺服電機(jī)繞組絕緣等級(jí)高，一般為H級(jí)或B級(jí)絕緣，繞組壽命高。伺服電機(jī)一般采用含油軸承，免維護(hù)；軸承予加載，工作壽命長(zhǎng)。伺服電機(jī)具有IP44以上的防護(hù)等級(jí)，允許在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。B/M系列電機(jī)的防護(hù)等級(jí)為IP65，可選擇IP67。
4、可靠的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)：一般在伺服電機(jī)殼體上裝有熱動(dòng)開(kāi)關(guān)或在伺服電機(jī)繞組內(nèi)埋有熱敏元件，防止電機(jī)過(guò)熱。它比用過(guò)載繼電器（熱繼電器）保護(hù)更可靠。
5、豐富的選件：伺服電機(jī)為適應(yīng)各種機(jī)器的不同要求，備有很多選件供選擇。例如使用滾珠絲杠的垂直軸伺服電機(jī)，由于滾珠絲杠沒(méi)有自鎖能力，為防止系統(tǒng)斷電時(shí)運(yùn)動(dòng)部分下滑，可選擇帶防滑制動(dòng)器的伺服電機(jī)。需要減速器的機(jī)器可以選擇帶齒輪頭（齒輪減速器）的伺服電機(jī)。另外象反饋元件，電纜連接器等都可以選擇。 [2] 

5系統(tǒng)介紹

伺服系統(tǒng)是通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)使電動(dòng)機(jī)與被調(diào)節(jié)對(duì)象連接的。在CNC車(chē)床上，使刀架作直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削的刀架滑座為被調(diào)節(jié)對(duì)象；在CNC銑床上，使工件作直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削的工作臺(tái)滑座為被調(diào)節(jié)對(duì)象；在艦炮控制中，使艦炮作方位回轉(zhuǎn)和俯仰回轉(zhuǎn)的滑座為被調(diào)節(jié)對(duì)象，等等。當(dāng)被調(diào)節(jié)對(duì)象為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，伺服機(jī)構(gòu)需將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為被調(diào)節(jié)對(duì)象的直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)被調(diào)節(jié)對(duì)象為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，伺服機(jī)構(gòu)則將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為符合被調(diào)節(jié)對(duì)象要求的轉(zhuǎn)速。
將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的伺服機(jī)構(gòu)有螺母—絲杠副，滾珠絲杠副，齒輪—齒條副，蝸母—牙條副，等等；將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為適合負(fù)載要求的轉(zhuǎn)速的伺服機(jī)構(gòu)有齒型帶傳動(dòng)，齒輪減速器，行星齒輪減速器，諧波齒輪減速器，等等。
閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理是不斷比較被調(diào)節(jié)量與指令值計(jì)算出誤差值，并使被調(diào)量向減小誤差方向變化。被調(diào)量回饋到系統(tǒng)的輸入端與指令值進(jìn)行比較稱(chēng)為反饋，將被調(diào)量轉(zhuǎn)換為可以與指令值（電信號(hào)）相比較的電信號(hào)的裝置稱(chēng)為反饋裝置。速度反饋裝置一般為測(cè)速發(fā)電機(jī)（測(cè)速頭），位置反饋裝置可以是光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等。
反饋取至被調(diào)節(jié)對(duì)象，稱(chēng)為全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；反饋取至電動(dòng)機(jī)軸，稱(chēng)為半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的伺服機(jī)構(gòu)的誤差可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)補(bǔ)償，因此調(diào)節(jié)精度高，但要求伺服機(jī)構(gòu)剛性好，傳動(dòng)間隙小，否則得不到較好的補(bǔ)償效果。半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于伺服機(jī)構(gòu)在閉環(huán)外，調(diào)節(jié)系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)性能，但機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差（絲杠螺距誤差，傳動(dòng)間隙）得不到閉環(huán)補(bǔ)償。CNC機(jī)床利用CNC系統(tǒng)的存儲(chǔ)式螺距誤差補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償功能對(duì)絲杠螺距誤差和傳動(dòng)間隙進(jìn)行開(kāi)環(huán)補(bǔ)償，但由于傳動(dòng)系統(tǒng)剛性不足產(chǎn)生的彈性變形引起的隨機(jī)誤差無(wú)法補(bǔ)償，因此半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)必須具有較好的剛度和精度，補(bǔ)償才能獲得較好的效果。