伺服機構

　　伺服機（jī）構

　　基本概念

　　伺服機構理論起源於二次世界大戰期（qī）間，美軍為了發展具有自（zì）動控製功（gōng）能的雷（léi）達追蹤係統（tǒng），委托了（le）麻省理工學院發展控製機械（xiè）係統的閉回路控製技術，以強化巡航（háng）導彈等導向武器精準度（dù），此一發展奠定了後來伺服機構理論的基礎。而微處理器及集成電路的不斷進化，不僅帶（dài）動了資訊產業的發展，也間接帶動了伺服驅動技術的發展（zhǎn）。

　　構造

　　伺服機構(servomechanism)是指經由閉回路控製方式達到一個機械係（xì）統位置、速度、或加速度（dù）控製的係統。

　　一個伺服係統的構成通（tōng）常包（bāo）含受控體(plant)、致動器(actuator)、傳感器(sensor)、控製器(controller)等幾個部分。

　　受控體

　　係指被（bèi）控製的物件，例如一個機械手臂，或是一個機械工作平台。

　　致動器

　　它（tā）的功（gōng）能在於主要提（tí）供受控體的動力，可能以氣壓、油壓、或是（shì）電力驅動的方式呈（chéng）現，若是采用油壓（yā）驅動方式，則為油壓伺服係統（tǒng）。

　　絕大（dà）多數的伺服係統采用電力驅動方式，致動器包含（hán）了馬達與功率放大器，例如應用於（yú）伺服係統的特別設（shè）計馬達稱之為伺服馬達(servo motor)，其裝置內含位置回授裝置，如光電（diàn）編（biān）碼器(optical encoder)或是解角器(resolver)。

　　控製器

　　一個傳統伺服機構係統的組成，伺服驅動器主要（yào）包含功率（lǜ）放（fàng）大器與伺服控製器。

　　以伺服馬達為例，其伺（sì）服控製器通常包含速度控（kòng）製器與扭矩控製器，馬達通常提供類比式的速度回（huí）授信號，控製界麵采用±10V的類比訊號，經由外回路的類比命令，可直接控製馬達的轉速（sù）或扭矩。采用這種伺服驅動器，通常必須再加上一個位置控（kòng）製器(position controller)，才能完成位置控製。

　　主要應用於工業界的伺服馬達包括直流伺服馬達、永磁交流伺服馬達（dá）、與感應交流伺服馬達，其中（zhōng）又以永磁交流伺服馬（mǎ）達占絕大多數。控製器的功能在於提（tí）供整個伺服係統的閉路控製，如扭矩控製、速度控製、與位置控製等。

　　一（yī）般工業用伺服驅動器(servo drive)通常包含了（le）控製器（qì）與功率放大器。伺服驅動器包（bāo）含了伺服控製器與（yǔ）功率放大器，伺服馬達提供分辨率的光電編碼器回授信號。

　　伺服機構作用（yòng）

　　伺服控製係統是一種（zhǒng）能夠（gòu）跟蹤輸（shū）入的指令信號進（jìn）行動作，從而獲得（dé）精確（què）的位置、速度及動力輸出的自動控製（zhì）係（xì）統。機械傳動是一（yī）種把動力機（jī）產生的運動（dòng）和動力傳遞給執（zhí）行（háng）機構的中間裝置，是一種扭矩和轉速的變換器（qì），其目的是在動力機與負（fù）載之間使扭矩得到合理的匹配，並可通過機構（gòu）變換實現對輸出的速度調節。在機電一體化係統中，伺服電動機（jī）的伺服變速功能在很大程度上代替了傳統機械傳動中的變速機構，隻有當伺服電機的轉速範圍滿足不了係（xì）統要求時（shí），才通過（guò）傳動裝置（zhì）變速。由於機電一體化係統（tǒng）對快速響應指標要求很高，因此機電一體化係統中的（de）機械傳動裝置不僅僅是解決伺服電機與負載間的力矩匹配問（wèn）題。而更重（chóng）要的是為了提高係統的伺服性能。為了提高機械係統的伺服性能，要求機械傳動部件轉動慣量小、摩擦小、阻尼合理。

　　係統介紹（shào）

　　伺服（fú）係統（tǒng）是通過伺服機構使（shǐ）電動機與被調節對象連接的。在CNC車床（chuáng）上，使刀架作直（zhí）線運（yùn）動進行切削（xuē）的刀架滑座為被調（diào）節對象;在CNC銑床上，使工件作直線運動（dòng）進（jìn）行切削的工作台滑座為被調節對象;在艦（jiàn）炮控製中，使艦炮作方位回轉（zhuǎn）和俯仰回轉的滑座為被調節對（duì）象，等（děng）等（děng）。當被調節對象為直線運動（dòng）時，伺服（fú）機（jī）構需將電動機的（de）旋轉運動轉換為（wéi）被調節對象的直線運動;當被調節對象為旋轉運動時，伺服機構則將電動機的轉速轉（zhuǎn）換為符合被調節對象（xiàng）要（yào）求的轉速。

　　將旋轉運動轉換為直線運動的伺服機（jī）構有螺母—絲杠副，滾珠絲（sī）杠副，齒輪—齒條副，蝸母—牙條副（fù），等等;將電動（dòng）機（jī）的轉速轉換為適合負載要求的（de）轉速的伺服機構有齒型帶傳動，齒輪減速器，行星齒輪減速器，諧波齒輪減速器（qì），等等。

　　閉環調節係（xì）統的（de）工作原理是不斷比較被調節量與指令值計算出誤差值（zhí），並使被調量向減小誤差方向變化。被調量回饋到係統的輸入端與指令值進行比較稱（chēng）為反（fǎn）饋，將被調量轉換（huàn）為可以與指令值(電信號)相比較的電信號的裝置稱為反饋裝置。速度反饋裝置一般為測速發電機(測速頭)，位置反饋裝置可以是光電編碼器，旋轉變壓器等。

　　反饋取至被調節對象，稱為全閉環調節係統;反（fǎn）饋取（qǔ）至電動機軸，稱為半閉環調節係統。全閉環調節係統（tǒng）中的伺服機構的誤（wù）差可以得到係統的閉環補償，因（yīn）此調節精度高，但要求伺服（fú）機構剛性好，傳動間隙小，否則得不（bú）到較好（hǎo）的補償效（xiào）果。半閉環調節係統由於伺服機構在閉環外，調節係統有較好的動態性能，但機械傳動係統的誤差(絲杠螺距誤差，傳動間隙)得不到閉環補償。CNC機床利用CNC係統的（de）存儲式螺距誤差補償和間隙補償（cháng）功能對絲杠螺距誤差和傳動間隙進行開環補償，但由於傳動係統剛性不足產生的彈性變（biàn）形引起的隨機誤差無法補償，因此半閉環調節係（xì）統的伺服機（jī）構（gòu）必須（xū）具有較好（hǎo）的剛度和精度，補償才能獲得較好的效果。