伺服是目前工業(yè)制造領(lǐng)域一種十分常見的技術(shù)，我們之前也已經(jīng)談的比較多了?？墒窃捳f(shuō)，到底什么是伺服呢？本期，咱就來(lái)簡(jiǎn)單的聊一聊。

 

伺服 Servo 這個(gè)詞來(lái)自拉丁文 “servus”，意思是仆人按照主人的指示行事，并且忠實(shí)而快速地工作。 

 

PicSource：Yaskawa America

 

而 Servo 作為一個(gè)技術(shù)名詞，我比較認(rèn)同的定義大致是這樣的：

a device used to provide control of a desired operation through the use of feedback

通過(guò)使用反饋來(lái)為所需的運(yùn)行操作提供控制的設(shè)備裝置

 

從上面這段描述中我們可以看到，伺服首先是一種控制裝置，需要有指令輸入和動(dòng)力輸出。

 

PicSource：PARKER HANNIFIN 

 

由于需要對(duì)運(yùn)行動(dòng)作進(jìn)行控制，其輸出的就應(yīng)該是機(jī)械動(dòng)力。因此，伺服其實(shí)本質(zhì)上是一種用于運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)。如果按照所使用的動(dòng)力類型的不同，我們基本上可以把伺服分為：氣動(dòng)伺服、液壓伺服、直流伺服和變頻伺服...等。

 

PicSource：YASKAWA

 

不過(guò)，由于近些年來(lái)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展成熟，加上其在很多方面表現(xiàn)出來(lái)的極佳的應(yīng)用體驗(yàn)，如：體積較小、使用靈活、易于集成、方便維護(hù)...等等，變頻伺服已經(jīng)在大量應(yīng)用中取代了其他類型的伺服技術(shù)，逐漸成為工業(yè)運(yùn)控領(lǐng)域的絕對(duì)主力。這就是為什么現(xiàn)在大家只要提到伺服，基本上指的就都是變頻伺服。

 

PicSource：SIMATIC

 

伺服的輸入為與運(yùn)行動(dòng)作需求相對(duì)應(yīng)的一系列動(dòng)態(tài)控制指令，如：速度、位置或轉(zhuǎn)矩...等等。之所以說(shuō)這些指令是動(dòng)態(tài)的，是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)對(duì)象往往需要在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)工藝要求不斷改變其位置、速度、轉(zhuǎn)矩...等動(dòng)作狀態(tài)。因此伺服產(chǎn)品往往需要有一個(gè)或多個(gè)實(shí)時(shí)控制信號(hào)輸入端口，如：脈沖輸入、模擬量輸入或數(shù)字通訊輸入...等，用于從上位控制器接收連續(xù)的運(yùn)動(dòng)控制指令。

 

PicSource：Yaskawa

 

這些指令可能是控制器中已經(jīng)規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)曲線在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的值，也有可能是基于其他運(yùn)動(dòng)軸狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的中間變量（如：主軸...），但不管怎樣，伺服的任務(wù)就是要讓其最終控制對(duì)象的動(dòng)作軌跡盡可能的與給定的運(yùn)行曲線相吻合。

 

PicSource：Rexroth IMS-A

 

我們需要特別要注意伺服定義中“使用反饋”這幾個(gè)字。盡管在伺服與普通傳動(dòng)技術(shù)（例如：變頻）之間并沒有一道非常清晰的界限，但在系統(tǒng)中是否有用于實(shí)現(xiàn)控制的面對(duì)應(yīng)用對(duì)象的反饋機(jī)制，卻是其區(qū)別于一般的氣動(dòng)、液壓和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志。

 

PicSource：Kubler

 

伺服的反饋主要是指那些用于檢測(cè)動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度和位置...等動(dòng)作狀態(tài)的傳感元器件，例如：旋轉(zhuǎn)編碼器、直線光柵尺...等等，并且通常這些反饋元件都會(huì)被直接整合到伺服產(chǎn)品的控制環(huán)回路中，如：大部分伺服電機(jī)內(nèi)部都集成了反饋編碼器、以及通常伺服驅(qū)動(dòng)器也都會(huì)將反饋接口卡作為其產(chǎn)品的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)配置。

 

PicSource：Yaskawa

 

伺服系統(tǒng)需要借助這些反饋元件即時(shí)獲取控制對(duì)象的位置、速度...等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將其與輸入端給定的目標(biāo)值進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，然后依據(jù)反饋誤差的大小快速調(diào)節(jié)其動(dòng)力響應(yīng)輸出，從而讓系統(tǒng)的運(yùn)控性能更加接近其工藝所需要達(dá)到的應(yīng)用指標(biāo)。

 

PicSource：Miyakoshi Europe | Servo Driven by Rexroth

 

而對(duì)于伺服而言，我們?cè)谶@里所說(shuō)的“快速響應(yīng)”，通常指的是毫秒甚至微秒級(jí)的，這樣系統(tǒng)才能夠在極短的時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)那些細(xì)微的動(dòng)作偏差作出反應(yīng)并及時(shí)調(diào)節(jié)。因此，絕大多數(shù)伺服產(chǎn)品都會(huì)用頻響帶寬值（BandWidth）來(lái)標(biāo)稱其響應(yīng)能力。而我們看到在印刷套色、金屬加工、數(shù)控機(jī)床、木料加工、紙張?zhí)幚?.....等各類高性能運(yùn)控應(yīng)用中都會(huì)使用伺服技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，就是伺服響應(yīng)能力的一種體現(xiàn)。

 

PicSource：MOOG

 

不過(guò)，伺服的這種實(shí)時(shí)響應(yīng)能力不僅僅適用于高精度的位置控制，很多有著較高動(dòng)態(tài)特性要求的應(yīng)用領(lǐng)域，如：機(jī)器人、風(fēng)電變槳、貼標(biāo)套標(biāo)、包裝碼垛、閥門控制...等，也都會(huì)用到伺服技術(shù)。在這些應(yīng)用中，真正的挑戰(zhàn)往往并不一定是定位精度（一般毫米級(jí)就都足夠了），而是如何在高速運(yùn)行過(guò)程中，克服來(lái)自負(fù)載、環(huán)境和自身...等多方面的各種擾動(dòng)，并確保動(dòng)作的姿態(tài)和節(jié)拍達(dá)到設(shè)備運(yùn)行的工藝要求。

 

PicSource：OMRON FA

 

此外，在很多非位置控制領(lǐng)域中，我們也能夠看到不少伺服技術(shù)的應(yīng)用，這同樣是因?yàn)槠漭^強(qiáng)的閉環(huán)響應(yīng)能力。例如：一些設(shè)備在薄膜材料（如：紙張、塑料、電池...等）的張力控制上，就用到了伺服系統(tǒng)在速度、轉(zhuǎn)矩方面具備的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和快速調(diào)節(jié)的特性；再比如：現(xiàn)在很多空壓機(jī)和液壓泵站也已經(jīng)開始在使用伺服技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體和油路壓力的靈活控制...

 

PicSource：Gerhard Schubert

 

伺服技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，其商業(yè)驅(qū)動(dòng)力源于制造企業(yè)在追求生產(chǎn)效益時(shí)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備自動(dòng)化流程提出的越來(lái)越高的要求；而其能夠在最近二十幾年間從航空航天、數(shù)控機(jī)床、半導(dǎo)體、機(jī)器人...等少數(shù)專業(yè)領(lǐng)域逐步普及到各類通用自動(dòng)化行業(yè)，則很大程度上得益于因技術(shù)成熟和產(chǎn)品易用性的提升而帶來(lái)的系統(tǒng)綜合成本的優(yōu)化，尤其是我們之前提到的變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，在其中起到了極為積極的作用。