伺服機構

伺服機構理論(servomechansim theory)起源於二次世界大戰期間，美軍為了發展具有自動控制功能的雷達追蹤系統，委託了麻省理工學院發展控制機械系統的閉迴路控制技術，以強化巡航導彈等導向武器精準度，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，不僅帶動了資訊產業的發展，也間接帶動了伺服驅動技術的發展。 ^[1] 

伺服機構(servomechanism)是指經由閉迴路控制方式達到一個機械系統位置、速度、或加速度控制的系統。

一個伺服系統的構成通常包含受控體(plant)、致動器(actuator)、傳感器(sensor)、控制器(controller)等幾個部分。

係指被控制的物件，例如一個機械手臂，或是一個機械工作平台。

它的功能在於主要提供受控體的動力，可能以氣壓、油壓、或是電力驅動的方式呈現，若是採用油壓驅動方式，則為油壓伺服系統。

絕大多數的伺服系統採用電力驅動方式，致動器包含了馬達與功率放大器，例如應用於伺服系統的特別設計馬達稱之為伺服馬達(servo motor)，其裝置內含位置回授裝置，如光電編碼器(optical encoder)或是解角器(resolver)。

一個傳統伺服機構系統的組成，伺服驅動器主要包含功率放大器與伺服控制器。

以伺服馬達為例，其伺服控制器通常包含速度控制器與扭矩控制器，馬達通常提供類比式的速度回授信號，控制界面採用±10V的類比訊號，經由外迴路的類比命令，可直接控制馬達的轉速或扭矩。採用這種伺服驅動器，通常必須再加上一個位置控制器(position controller)，才能完成位置控制。

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、與感應交流伺服馬達，其中又以永磁交流伺服馬達佔絕大多數。控制器的功能在於提供整個伺服系統的閉路控制，如扭矩控制、速度控制、與位置控制等。

一般工業用伺服驅動器(servo drive)通常包含了控制器與功率放大器。伺服驅動器包含了伺服控制器與功率放大器，伺服馬達提供分辨率的光電編碼器回授信號。 ^[2] 

伺服控制系統是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統。機械傳動是一種把動力機產生的運動和動力傳遞給執行機構的中間裝置，是一種扭矩和轉速的變換器，其目的是在動力機與負載之間使扭矩得到合理的匹配，並可通過機構變換實現對輸出的速度調節。在機電一體化系統中，伺服電動機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，只有當伺服電機的轉速範圍滿足不了系統要求時，才通過傳動裝置變速。由於機電一體化系統對快速響應指標要求很高，因此機電一體化系統中的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題。而更重要的是為了提高系統的伺服性能。為了提高機械系統的伺服性能，要求機械傳動部件轉動慣量小、摩擦小、阻尼合理。

1、轉動慣量小，過載能力大：一般伺服電機具有細長的轉子，轉動慣量比普通電動機小几個數量級；直流伺服電機具有5—8倍的過載能力，交流伺服電機具有3—5倍的過載能力。由於伺服電機轉動慣量小，過載能力大，具有很高的加/減速能力。對CNC機牀要求伺服電機帶慣性負載加速到最高轉速的時間小於100ms（間接判據）

2、轉矩脈動小，低速性能好，調速範圍大：伺服電機鐵芯槽數多，換向器片數多（直流伺服電機），正弦波電流驅動（交流伺服電機），因此轉矩脈動小，低速性能好。Kollmorgen公司的B/M系列伺服電機在BDS5系列伺服放大器驅動下，速度分辨率為0.00005rpm，調速範圍為15000000:1。實測轉動靈敏度為1角秒。

3、電機壽命長，防護等級高：伺服電機繞組絕緣等級高，一般為H級或B級絕緣，繞組壽命高。伺服電機一般採用含油軸承，免維護；軸承予加載，工作壽命長。伺服電機具有IP44以上的防護等級，允許在惡劣的工業環境下工作。B/M系列電機的防護等級為IP65，可選擇IP67。

4、可靠的電機過熱保護：一般在伺服電機殼體上裝有熱動開關或在伺服電機繞組內埋有熱敏元件，防止電機過熱。它比用過載繼電器（熱繼電器）保護更可靠。

5、豐富的選件：伺服電機為適應各種機器的不同要求，備有很多選件供選擇。例如使用滾珠絲槓的垂直軸伺服電機，由於滾珠絲槓沒有自鎖能力，為防止系統斷電時運動部分下滑，可選擇帶防滑制動器的伺服電機。需要減速器的機器可以選擇帶齒輪頭（齒輪減速器）的伺服電機。另外象反饋元件，電纜連接器等都可以選擇。 ^[2] 

伺服系統是通過伺服機構使電動機與被調節對象連接的。在CNC車牀上，使刀架作直線運動進行切削的刀架滑座為被調節對象；在CNC銑牀上，使工件作直線運動進行切削的工作台滑座為被調節對象；在艦炮控制中，使艦炮作方位迴轉和俯仰迴轉的滑座為被調節對象，等等。當被調節對象為直線運動時，伺服機構需將電動機的旋轉運動轉換為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換為符合被調節對象要求的轉速。

將旋轉運動轉換為直線運動的伺服機構有螺母—絲槓副，滾珠絲槓副，齒輪—齒條副，蝸母—牙條副，等等；將電動機的轉速轉換為適合負載要求的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，等等。

閉環調節系統的工作原理是不斷比較被調節量與指令值計算出誤差值，並使被調量向減小誤差方向變化。被調量回饋到系統的輸入端與指令值進行比較稱為反饋，將被調量轉換為可以與指令值（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，稱為全閉環調節系統；反饋取至電動機軸，稱為半閉環調節系統。全閉環調節系統中的伺服機構的誤差可以得到系統的閉環補償，因此調節精度高，但要求伺服機構剛性好，傳動間隙小，否則得不到較好的補償效果。半閉環調節系統由於伺服機構在閉環外，調節系統有較好的動態性能，但機械傳動系統的誤差（絲槓螺距誤差，傳動間隙）得不到閉環補償。CNC機牀利用CNC系統的存儲式螺距誤差補償和間隙補償功能對絲槓螺距誤差和傳動間隙進行開環補償，但由於傳動系統剛性不足產生的彈性變形引起的隨機誤差無法補償，因此半閉環調節系統的伺服機構必須具有較好的剛度和精度，補償才能獲得較好的效果。 ^[3]