伺服是目前工業制造領域一種十分常見的技術，我們之前也已經談的比較多了。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 作為一個技術名詞，我比較認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行控制，其輸出的就應該是機械動力。因此，伺服其實本質上是一種用于運動控制的動力傳動技術。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動技術的發展成熟，加上其在很多方面表現出來的極佳的應用體驗，如：體積較小、使用靈活、易于集成、方便維護...等等，變頻伺服已經在大量應用中取代了其他類型的伺服技術，逐漸成為工業運控領域的絕對主力。這就是為什么現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的一系列動態控制指令，如：速度、位置或轉矩...等等。之所以說這些指令是動態的，是因為在實際應用中，目標對象往往需要在運行過程中根據工藝要求不斷改變其位置、速度、轉矩...等動作狀態。因此伺服產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、模擬量輸入或數字通訊輸入...等，用于從上位控制器接收連續的運動控制指令。

 

PicSource：Yaskawa

 

這些指令可能是控制器中已經規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實時計算出來的中間變量（如：主軸...），但不管怎樣，伺服的任務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（例如：變頻）之間并沒有一道非常清晰的界限，但在系統中是否有用于實現控制的面對應用對象的反饋機制，卻是其區別于一般的氣動、液壓和電機傳動技術的一個關鍵標志。

 

PicSource：Kubler

 

伺服的反饋主要是指那些用于檢測動力執行機構速度和位置...等動作狀態的傳感元器件，例如：旋轉編碼器、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品的控制環回路中，如：大部分伺服電機內部都集成了反饋編碼器、以及通常伺服驅動器也都會將反饋接口卡作為其產品的一項標準配置。

 

PicSource：Yaskawa

 

伺服系統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，并將其與輸入端給定的目標值進行實時比對，然后依據反饋誤差的大小快速調節其動力響應輸出，從而讓系統的運控性能更加接近其工藝所需要達到的應用指標。

 

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”，通常指的是毫秒甚至微秒級的，這樣系統才能夠在極短的時間窗口內對那些細微的動作偏差作出反應并及時調節。因此，絕大多數伺服產品都會用頻響帶寬值（BandWidth）來標稱其響應能力。而我們看到在印刷套色、金屬加工、數控機床、木料加工、紙張處理......等各類高性能運控應用中都會使用伺服技術來實現精確的位置控制，就是伺服響應能力的一種體現。

 

PicSource：MOOG

 

不過，伺服的這種實時響應能力不僅僅適用于高精度的位置控制，很多有著較高動態特性要求的應用領域，如：機器人、風電變槳、貼標套標、包裝碼垛、閥門控制...等，也都會用到伺服技術。在這些應用中，真正的挑戰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，克服來自負載、環境和自身...等多方面的各種擾動，并確保動作的姿態和節拍達到設備運行的工藝要求。

 

PicSource：OMRON FA

 

此外，在很多非位置控制領域中，我們也能夠看到不少伺服技術的應用，這同樣是因為其較強的閉環響應能力。例如：一些設備在薄膜材料（如：紙張、塑料、電池...等）的張力控制上，就用到了伺服系統在速度、轉矩方面具備的高動態響應和快速調節的特性；再比如：現在很多空壓機和液壓泵站也已經開始在使用伺服技術，以實現對氣體和油路壓力的靈活控制...

 

PicSource：Gerhard Schubert

 

伺服技術在工業領域的應用，其商業驅動力源于制造企業在追求生產效益時，對產品質量和設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、數控機床、半導體、機器人...等少數專業領域逐步普及到各類通用自動化行業，則很大程度上得益于因技術成熟和產品易用性的提升而帶來的系統綜合成本的優化，尤其是我們之前提到的變頻驅動技術的發展，在其中起到了極為積極的作用。