小白如何看伺服控制系統(tǒng)與編碼器

“伺服”英文servo—詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個得心應(yīng)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，靜止不動；訊號來到之后，立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)訊號消失，能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服-奴隸”性能，因此而得名——伺服控制系統(tǒng)。

伺服定義：

（1）伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)、力矩等運(yùn)動執(zhí)行器的輸出，能夠跟隨輸入量（或給定值）的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)。

（2）在自動控制系統(tǒng)中，能夠以一定的準(zhǔn)確度響應(yīng)控制信號的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。為保證這種即時響應(yīng)的準(zhǔn)確性，一般都有位置、速度、力矩的傳感器反饋比較，也稱為閉環(huán)控制。

伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求，對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置的閉環(huán)控制得非常靈活方便。

簡單的說，就是運(yùn)動系統(tǒng)的位置、時間與力的每時每刻的“聽話”，在什么時間上在什么位置，在這個位置輸出多大的力的控制，就叫伺服控制。

這其中，如果運(yùn)動系統(tǒng)是用電機(jī)帶動的，那么電機(jī)的位置與電機(jī)輸入的工作電流對應(yīng)關(guān)系，就是伺服控制系統(tǒng)要解決的問題，在什么位置上輸入電機(jī)多大的電壓電流（包括相位），這個稱為位置環(huán)和電流環(huán)控制。而位置在時間上的變化量，就是速度環(huán)，速度環(huán)的變化是加速度、加加速度。從物理學(xué)我們知道，加速度對應(yīng)的是力（例如重力加速度G），而電機(jī)的輸出力是有輸入的電壓電流（包括相位）推動的，那么從電機(jī)輸入來說是電流環(huán)=力，從電機(jī)傳感器的反饋來說是加速度=力，通過對于電機(jī)上傳感器的反饋，獲得位置與加速度信息，與控制輸入做比較，形成一個閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)。

旋轉(zhuǎn)編碼器是旋轉(zhuǎn)位置傳感器，輸出增量的脈沖信號（代表位置變化量）或絕對值的角度位置信號，這個信號對于時間的一次導(dǎo)數(shù)是速度，二次導(dǎo)數(shù)是加速度。因此，旋轉(zhuǎn)編碼器成為伺服系統(tǒng)的最佳的反饋傳感器選擇。

伺服電機(jī)：電機(jī)是最常用的運(yùn)動執(zhí)行器，電機(jī)驅(qū)動器直接就有位置、速度、力矩的閉環(huán)控制的，就稱為“伺服電機(jī)”。常用的伺服電機(jī)為交流永磁同步電機(jī)，有時就直接把交流永磁同步電機(jī)叫為了伺服電機(jī)。

交流永磁同步電機(jī)：就是轉(zhuǎn)子是由永磁材料構(gòu)成，所以轉(zhuǎn)動后，隨著電機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，轉(zhuǎn)子也做響應(yīng)頻率的速度變化，而且轉(zhuǎn)子速度=定子磁力推動速度，所以稱"同步"。交流永磁同步電機(jī)因其同步性推動要求而加裝有編碼器，這種編碼器不僅僅提供角度位置信號（例如增量的脈沖信號或絕對值的數(shù)字信號），同時提供了轉(zhuǎn)子的位置換相信號（例如UVW或單圈正余弦C、D信號），角度位置信號作為位置和速度的閉環(huán)反饋，而轉(zhuǎn)子換相信號用于電機(jī)電流環(huán)-力矩的推力輸入閉環(huán)反饋，以獲得轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。由此，交流永磁同步電機(jī)由于直接加裝了編碼器，已獲得位置、速度、力矩的反饋信息及閉環(huán)控制，而天然地具有了“伺服”特性。

而事實(shí)上不僅僅是交流永磁同步電機(jī)可以具有伺服特性，交流異步電機(jī)通過其控制器（變頻器）和傳感器反饋（例如編碼器），同樣可以由控制器指令實(shí)現(xiàn)位置、速度、甚至輸出力矩的閉環(huán)控制與隨動響應(yīng)，也就一樣可以實(shí)現(xiàn)“伺服”系統(tǒng)特性。

是否能夠稱為“伺服”在于其在位置、速度、輸出力各方面的隨動響應(yīng)和控制精度是否能達(dá)到使用要求，并不在于用什么電機(jī)執(zhí)行器。

伺服驅(qū)動控制器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)都進(jìn)行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運(yùn)算，在功能上也比傳統(tǒng)的變頻器強(qiáng)大很多，主要的一點(diǎn)可以進(jìn)行精確的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的指令來控制速度和位置（當(dāng)然也有些變頻-伺服器內(nèi)部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數(shù)設(shè)定在驅(qū)動器里，或稱為PG卡），驅(qū)動器內(nèi)部的算法和更快更精確的計算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器。

變頻控制器與電機(jī)構(gòu)成一個速度變化控制的開環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器構(gòu)成一個位置（步進(jìn)）變化的開環(huán)控制，如果在變頻電機(jī)系統(tǒng)或步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)加裝了傳感器（例如編碼器），從而由外部指令控制器（例如PLC或集成在電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)的控制卡）也能實(shí)現(xiàn)位置、速度的雙閉環(huán)，并同時對于電機(jī)輸出力與停止定位上的響應(yīng)保證，也就能實(shí)現(xiàn)一個“伺服”控制系統(tǒng)。

伺服控制系統(tǒng)不僅僅是指運(yùn)動執(zhí)行器電機(jī)，同樣包含了機(jī)械傳動系統(tǒng)，例如減速箱、推動絲杠、齒輪傳動等等，這些機(jī)械傳動系統(tǒng)有機(jī)械加工與裝配誤差，同時又有溫度變化、磨損及其他現(xiàn)場環(huán)境因素帶來的影響而產(chǎn)生誤差，為防止這些誤差帶來的控制精度影響，有時會在運(yùn)動終端再加裝傳感器，作為反饋位置、速度信息到伺服控制系統(tǒng)，以修正這種誤差，這樣的控制方式稱為“全閉環(huán)”控制，例如加裝直線光柵尺或旋轉(zhuǎn)編碼器。為保證位置控制的長期準(zhǔn)確性，需要在控制-執(zhí)行系統(tǒng)中加裝零點(diǎn)位置傳感器或終端位置絕對值編碼器，絕對值編碼器因其傳感器內(nèi)部預(yù)先的每個機(jī)械位置的唯一編碼，而無需擔(dān)心信號受到外部的干擾影響和停電后的位置信息丟失。

無論是交流永磁同步電機(jī)（也就是直接稱為伺服電機(jī)），還是變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等機(jī)械執(zhí)行運(yùn)動器，都需要由控制器、機(jī)械傳動系統(tǒng)、終端傳感器反饋修正，才能構(gòu)成一個完整的“伺服”控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的控制精度（位置精度與隨動時間響應(yīng)），由執(zhí)行器電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、機(jī)械傳動執(zhí)行、系統(tǒng)總控制器等共同構(gòu)成，交流永磁同步電機(jī)與驅(qū)動器因其“同步”要求的先天設(shè)計性，其伺服控制精度最高。但要保證其運(yùn)動執(zhí)行終端的控制精度與控制可靠性，還需要兼顧機(jī)械傳動系統(tǒng)的精度與終端位置傳感器（例如絕對值編碼器）的精度與可靠性保證。

例如電梯轎廂升降的閉環(huán)控制，在電梯提升的主機(jī)上已經(jīng)裝有編碼器（例如德國海德漢的ERN1387），提供增量的A、B正余弦信號，每周2048個脈沖周期，同時提供單圈一個周期的C、D正余弦信號,單圈的C、D正余弦信號經(jīng)過粗糙的位置分割，可以提供電機(jī)UVW的換相信息；而每周2048個周期的正余弦信號，經(jīng)過更進(jìn)一步的細(xì)分，可獲得高分辨率的位置變化，這種高分辨率的位置變化信息主要用于很短時間的加速度計算，因?yàn)樵跁r間變量很小的情況下需要準(zhǔn)確的加速度反饋，就需要有較多的位置變化信息，這就需要編碼器的分辨率非常高，并且位置精度準(zhǔn)確，這樣可以保證獲得精確加速度反饋，以控制電機(jī)輸入電流。

但是由于電梯機(jī)械系統(tǒng)上的機(jī)械誤差，電梯在每層停止時仍然需要由外部的平層傳感器反饋，才能獲得準(zhǔn)確定位，例如用平層光電開關(guān)，或者直接再用平層絕對值多圈編碼器，才能構(gòu)成一個位置準(zhǔn)確的閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

實(shí)際上伺服系統(tǒng)需要的編碼器可能有兩個（或者只用一個），一個是在電機(jī)上高速端，針對電機(jī)的換相與加速度反饋，這個反饋進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動器，決定電機(jī)的控制電流的換相與大?。丨h(huán)），另一個是用于位置終端低速端的準(zhǔn)確定位。在電機(jī)端的編碼器需要高分辨率，常用高分辨率增量編碼器，以獲得加速度的精細(xì)變化量；而在運(yùn)動終端的編碼器需要位置上的準(zhǔn)確與可靠，常用絕對值多圈編碼器（也有用直線光柵尺）。

如果只用一個編碼器（例如只用電機(jī)端編碼器），那就需要在位置上依賴機(jī)械傳動部分的高精度，而目前高精度的機(jī)械傳動幾乎都掌握在日系和德系廠家手中，由他們壟斷。在終端加裝傳感器（編碼器），是避開這種壟斷的一種辦法。

在變頻器控制系統(tǒng)中，由于不需要電機(jī)換相信號，編碼器也就可以直接就裝在了運(yùn)動終端，也稱為低速端。

我們有兩個概念，一個是伺服系統(tǒng)，另一個是伺服電機(jī)，這兩個并不是同一個概念。伺服電機(jī)是一種特別的執(zhí)行器，它的電機(jī)驅(qū)動設(shè)計從一開始就是位置、速度、力矩的電機(jī)閉環(huán)控制，但是電機(jī)作為執(zhí)行器的一部分，它并不能代表整個伺服系統(tǒng)。

閉環(huán)控制能不能都稱為伺服系統(tǒng)？不是，而是在空間（位置）精度與時間響應(yīng)上達(dá)到快速控制與精度的保證。但是隨動的“快速”與位置的精度都是相對的，總是會有一定的偏差的，這也同樣是伺服的特性之一，真正做伺服的就是去消除這個偏差對于控制結(jié)果的影響。