伺服机构

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伺服机构（servomechanism）系指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统。

## 发展历史

伺服机构理论（servomechansim theory）起源于二次世界大战期间，美军为了发展具有自动控制功能的雷达追踪系统，委托了麻省理工学院发展控制机械系统的闭回路控制技术，以强化火控系统的精准度，此一发展奠定了后来伺服机构理论的基础。而微处理器及积体电路的不断进化，不仅带动了资讯产业的发展，也间接带动了伺服驱动技术的发展。

## 构造

一个伺服系统的构成通常包含受控体（plant）、致动器（actuator）、传感器（sensor）、控制器（controller）等几个部分。受控体系指被控制的物件，例如一个机械手臂，或是一个机械工作平台。致动器的功能在于主要提供受控体的动力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱动方式，则为油压伺服系统。目前绝大多数的伺服系统采用电力驱动方式，致动器包含了马达与功率放大器，例如应用于伺服系统的特别设计马达称之为伺服马达（servo motor），其装置内含位置回授装置，如光电编码器（optical encoder）或是解角器（resolver）。一个传统伺服机构系统的组成，伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器。

以伺服马达为例，其伺服控制器通常包含速度控制器与扭矩控制器，马达通常提供类比式的速度回授信号，控制界面采用±10V的类比讯号，经由外回路的类比命令，可直接控制马达的转速或扭矩。采用这种伺服驱动器，通常必须再加上一个位置控制器（position controller），才能完成位置控制。

目前主要应用于工业界的伺服马达包括直流伺服马达、永磁交流伺服马达、与感应交流伺服马达，其中又以永磁交流伺服马达占绝大多数。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、与位置控制等。目前一般工业用伺服驱动器（servo drive）通常包含了控制器与功率放大器。伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服马达提供分辨率的光电编码器回授信号。

### 多轴运动控制系统

精密伺服系统多应用于多轴运动控制系统，如工业机器人、机床、电子零件组装系统、PCB自动插件机、PCB钻孔机等等。

工作物件的位置控制可借由平台的移动来达成，平台位置的侦测有两种方式，一种是借由伺服马达本身所安装的光电编码器，由于是以间接的方式回授工作物件的位置，再借由闭回路控制达到位置控制的目的，因此也称之为间接位置控制（indirect position control）。另一种方式是直接将位置感测元件安装在平台上，如光学尺、激光位置感测计等等，直接回授工作物件的位置，再借由闭回路控制达到位置控制的目的，称之为直接位置控制（direct position control）。一个多轴运动控制系统由高阶的运动控制器（motion controller）与低阶的伺服驱动器（servo drive）所组成，运动控制器负责运动控制命令解码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要关键在于降低整体系统运动控制的路径误差；伺服驱动器负责伺服马达的位置控制，主要关键在于降低伺服轴的追随误差。一个双轴运动控制系统在一般的情况下x-轴与y-轴的动态响应特性会有相当大的差异，在高速轮廓控制时（contouring control），会造成显著的误差，因此必须设计一个运动控制器以整体考量的观点解决此一问题。

### 网络分散式伺服系统

随着网络通讯技术的进步，采用即时网络通讯技术的伺服系统也随之发展，利用SERCOS即时通讯网络技术（real-time network communication）所发展的网络控制分散式伺服系统，目前已有多种采用不同通讯协定的分散式运动控制系统，如SERCOS、Real-Time Ethernet、Real-Time CAN bus。应用高速网络技术于分散式伺服系统有许多优点，诸如更灵活的系统应用、更佳的系统整合控制效果等等。

### 环状多回路控制架构

一个实际的伺服系统通常采用环状多回路控制架构。此种控制架构，具有先天的解耦控制效果，可以分层负责的完成一个伺服系统中所需要的位置、速度、加速度控制。

## 伺服技术

### 伺服系统整合技术

伺服系统具有综效技术（synergy technology）的本质。伺服系统设计必须整合多项关键技术，如自动控制、运动控制、数位控制、马达控制、电力电子、微处理器软硬件设计等等，伺服系统设计工程师必须针对系统的应用需求，整合多项不同的技术，而此一系统整合的特质，会随着微电子技术的进展，更明显的以‘即时多工固件控制技术’的方式呈现。

### 数位伺服控制技术

随着高性能微处理器、数位信号处理器的发展，数位伺服控制技术已成为工业伺服系统的主流。

### DSP数位伺服控制技术

数字信号处理器（DSP）可视为一个具有强大计算能力的微处理器，举凡微处理器可以应用的场合，如需要更快速的计算能力，则可考虑使用DSP。但值得注意的是，单芯片微控器（microcontroller）已广泛应用于工业控制领域，其关键主要在于完整的I/O界面，而一般的DSP并不具备这些功能。但近年来，已发展出特别针对伺服马达控制的单芯片DSP控制器，例如德州仪器的TMS320F24xx、TMS320F2812等等，不仅计算性能强大、具备马达控制所需要的I/O界面，同时价格也相当便宜，因此直接带动了以DSP为核心的DSP数位马达控制技术的发展。

### 电脑辅助伺服系统设计

由于伺服系统设计包含多项不同技术的整合，也使得其设计过程显得更为复杂。因此利用电脑辅助设计与即时线上控制模拟成为现代伺服系统设计重要的方法。

## 实务问题

一个现代的伺服系统的设计包含了机械设计、马达控制、电力电子、伺服控制、运动控制、程式设计、网络通讯协定、噪声防制、实务应用等技术与经验，其核心技术在于整合微电子与电力电子技术实现伺服控制技术。

一些重要的实务设计考量包括：

- 高分辨率光电编码器的界面电路设计
- 如何从增量回授信号计算转速？
- 伺服系统的带宽要求
- 功率放大器电压输出与电流输出对伺服系统带宽所造成的限制
- 数位伺服系统采用定点（整数）或是浮点运算？
- 控制回路取样频率的选择？
- 电流回授信号的的取样方式与ADC转换器（analog-to-digital converter）的分辨率要求为何？

## 未来发展

任何动体都需要控制，电力驱动仍将是未来主要的驱动方式，随着微机电系统、电力电子、网络通讯技术的发展，各种形式的微型马达将可以通过有线或无线的网络通讯技术予以连接，伺服技术将进一步结合微电子与电力电子技术以固件控制的方式呈现，伺服技术的发展也将向单芯片控制、智慧控制、网络连线的方向发展。未来智能电子宠物、家庭机器人的市场需求，将进一步促进伺服技术的发展，具有网络界面的智能伺服控制芯片是一个值得投入研发的领域。

## 外部链接

- Rane Pro Audio Reference definition of "servo-loop"
- Seattle Robotics Society's "What is a Servo?"
- Community-based project for creating a low-cost digital servo
- Servo Tutorial for Robotics
- Tutorial on how to modify a servo for full 360 degree rotation