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。可是話說，到底什么是伺服呢？本期，咱就來簡單的聊一聊。

 

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

 

PicSource：Yaskawa America

 

而 Servo 作為一個技術(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

通過使用反饋來為所需的運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力輸出。

 

PicSource：PARKER HANNIFIN 

 

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

 

PicSource：YASKAWA

 

不過，由于近些年來變頻驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展成熟，加上其在很多方面表現(xiàn)出來的極佳的應(yīng)用體驗，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)運控領(lǐng)域的絕對主力。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

 

伺服的輸入為與運行動作需求相對應(yīng)的一系列動態(tài)控制指令，如：速度、位置或轉(zhuǎn)矩...等等。之所以說這些指令是動態(tài)的，是因為在實際應(yīng)用中，目標(biāo)對象往往需要在運行過程中根據(jù)工藝要求不斷改變其位置、速度、轉(zhuǎn)矩...等動作狀態(tài)。因此伺服產(chǎn)品往往需要有一個或多個實時控制信號輸入端口，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)的運動控制指令。

 

PicSource：Yaskawa

 

這些指令可能是控制器中已經(jīng)規(guī)劃好的運動曲線在各個時間點上的值，也有可能是基于其他運動軸狀態(tài)實時計算出來的中間變量（如：主軸...），但不管怎樣，伺服的任務(wù)就是要讓其最終控制對象的動作軌跡盡可能的與給定的運行曲線相吻合。

 

PicSource：Rexroth IMS-A

 

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

 

PicSource：Kubler

 

伺服的反饋主要是指那些用于檢測動力執(zhí)行機構(gòu)速度和位置...等動作狀態(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：大部分伺服電機內(nèi)部都集成了反饋編碼器、以及通常伺服驅(qū)動器也都會將反饋接口卡作為其產(chǎn)品的一項標(biāo)準(zhǔn)配置。

 

PicSource：Yaskawa

 

伺服系統(tǒng)需要借助這些反饋元件即時獲取控制對象的位置、速度...等運動狀態(tài)，并將其與輸入端給定的目標(biāo)值進(jìn)行實時比對，然后依據(jù)反饋誤差的大小快速調(diào)節(jié)其動力響應(yīng)輸出，從而讓系統(tǒng)的運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

 

而對于伺服而言，我們在這里所說的“快速響應(yīng)”，通常指的是毫秒甚至微秒級的，這樣系統(tǒng)才能夠在極短的時間窗口內(nèi)對那些細(xì)微的動作偏差作出反應(yīng)并及時調(diào)節(jié)。因此，絕大多數(shù)伺服產(chǎn)品都會用頻響帶寬值（BandWidth）來標(biāo)稱其響應(yīng)能力。而我們看到在印刷套色、金屬加工、數(shù)控機床、木料加工、紙張?zhí)幚?.....等各類高性能運控應(yīng)用中都會使用伺服技術(shù)來實現(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，伺服的這種實時響應(yīng)能力不僅僅適用于高精度的位置控制，很多有著較高動態(tài)特性要求的應(yīng)用領(lǐng)域，如：機器人、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（一般毫米級就都足夠了），而是如何在高速運行過程中，克服來自負(fù)載、環(huán)境和自身...等多方面的各種擾動，并確保動作的姿態(tài)和節(jié)拍達(dá)到設(shè)備運行的工藝要求。

 

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，這同樣是因為其較強的閉環(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)在很多空壓機和液壓泵站也已經(jīng)開始在使用伺服技術(shù)，以實現(xiàn)對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)動力源于制造企業(yè)在追求生產(chǎn)效益時，對產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備自動化流程提出的越來越高的要求；而其能夠在最近二十幾年間從航空航天、數(shù)控機床、半導(dǎo)體、機器人...等少數(shù)專業(yè)領(lǐng)域逐步普及到各類通用自動化行業(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)動技術(shù)的發(fā)展，在其中起到了極為積極的作用。