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伺服電機及其驅動技術在我國還屬于技術含量較高的領域，在機床、工業機器人、印刷機械、包裝機械、塑料機械和紡織機械等行業得到廣泛的應用。一個伺服系統的構成通常包含被控對象(plant)、執行器(actuator)、控制器(controller)等幾個部分，機械手臂、機械工作平臺通常作為被控對象。執行器的功能在于主要提供被控對象的動力，可能以氣壓、油壓、或是電力驅動的方式呈現，若是采用油壓驅動方式，一般稱之為油壓伺服系統。目前絕大多數的伺服系統采用電力驅動方式，執行器包含了電機與功率放大器，特別設計應用于伺服系統的電機稱之為伺服電機(servo motor)，通常內含位置反饋裝置，如光電編碼器(optical
encoder)、解角器(resolver)，目前主要應用于工業界的伺服電機包括直流伺服電機、永磁交流伺服電機、與感應交流伺服電機，其中又以永磁交流伺服電機占絕大多數?？刂破鞯墓δ茉谟谔峁┱麄€伺服系統的閉路控制，如扭矩控制、速度控制與位置控制等。目前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。圖1所示為一般工業用伺服系統組成框圖。本文分析一般工業用伺服系統的伺服性能及闡述如何對一個既定的伺服系統進行調整，使之達到最佳的伺服性能。
一、伺服系統的性能分析
衡量一個伺服系統的性能主要從以下四個方面來分析:響應速度、剛度、穩定性以及抗噪音能力。
·響應速度
伺服系統的響應速度描述了系統響應指令給定的快慢程度，對大部分的伺服系統來說追求較快的響應速度，系統的增益越大，則響應速度快，有助于提高系統的性能；
·剛度
伺服系統的剛度描述了系統抗扭矩干擾的能力，系統的剛度比較難于衡量，這是由于系統的干擾往往難于量化，對于一個伺服系統來說，高的剛度能夠達到較好的伺服性能；
·穩定性
伺服系統的穩定性描述了系統消除自振蕩的裕量，任何一個系統都必須有合適的穩定裕量，伺服系統的穩定性一般通過對方波信號響應的過沖量和振蕩次數來衡量，伺服增益越高，系統的穩定性將降低；
·抗噪音能力
伺服系統的抗噪音能力描述了系統對噪音源的放大程度，噪音干擾會導致系統發熱、振蕩，扭矩波動和雜音等不良現象。伺服增益越高，系統的抗噪音能力將越低。圖2～圖5所示為伺服系統性能的對比分析。
 
二、伺服系統的調整過程研究
伺服系統的調整主要是系統的各項控制增益的調整，通過上述的分析，當增益調整較高時，可以使得系統具有較快的響應速度，提高系統的剛度從而提高系統抗扭矩干擾的能力。然而，另一個方面，過高的增益將使得系統的穩定性和抗噪音能力下降。因此，伺服系統的調整實際上是一個尋求系統各項性能的相互平衡并使整體性能最優的決策過程。本節中，以伺服系統速度環的調整為例，研究其調整過程，分析如何通過調整伺服系統的增益來最優化系統的響應速度、剛度、穩定性以及抗噪音能力，從而得到系統的最佳性能。圖6所示為伺服系統增益調整示意圖。
1. 伺服系統的速度環基本組成
伺服系統的調整過程中，速度環是最難調整的，一般伺服系統的速度環如圖7所示。速度指令來自于位置環，在調整過程中，通常以方波信號作為響應信號，這是由于方波信號的響應對系統要求最為嚴格。反饋速度與指令速度通過比較環節進行比較得到速度誤差，一般來說速度環的控制作用就是為了減小這種誤差。比例積分(PI)控制器中的比例增益通常是在高頻時起作用，而積分增益通常是在中頻時起作用，速度誤差經過比例積分控制器后其輸出為電流指令。伺服系統的電流環在研究速度環的時候，通常把它當作速度環的一個環節，它的作用就是把電流指令轉換成實際電流，此時有可能引起系統的穩定性問題。
電機也作為速度環中的一個環節來研究，此時電機模型可以簡化為KT/JTOTAL，其中KT把電流環輸出的實際電流轉換為扭矩信號，1/JTOTAL再把扭矩信號轉換為系統的加速度信號。系統的加速度經過積分作用得到速度信號，速度信號再次經過積分環節得到系統的位置信號。系統的位置信號通過位置傳感器來檢測，系統的速度正比于系統位置的變化率。為了提高伺服系統的抗噪音能力以及穩定性，通常在系統中加入濾波器，如圖7所示。
2. 伺服系統的調整過程研究
伺服系統的調整主要是針對閉環控制器的增益進行調整，使得整個系統達到一個最優的工作狀態。其中速度環的調整是整個系統調整中最關鍵的，也是最難調整的。通常，增益的調整是一個一個地調整，首先了解伺服增益的限制因素，然后調整速度環的比例增益，接下來調整速度環的積分增益。對于每個增益參數的調整，都是從低慢慢地增加，確保系統穩定。
伺服系統比例增益的上限通常是由系統內部的各個部件本身決定的，驅動器本身的采樣速率、濾波器特性、電流環特性甚至是接線產生的噪音，這些都可能成為限制比例增益的過高調整。同時伺服系統的反饋環節和機械傳動部件也可能成為限制系統比例增益的重要因素。圖8為伺服系統調整過程示意圖，圖9為系統調整試驗裝置。
伺服系統的調整過程可以用如圖10所示的流程圖。事先假定系統伺服增益的限定因素是固定的，然后積分增益設為0，比例增益從低以20%的增量慢慢往上調整，同時監測系統的穩定性，當系統產生過沖，返回到上一個設置值。如果系統有噪音干擾，可以通過增加濾波器功能、提高反饋環節的分辨率或適當降低控制器的比例增益。增加濾波器功能有助于提高系統的抗噪音能力和響應能力，但是也同時給系統帶來了時延的問題，而導致系統不穩定，因此只有在必要的情況下才增加濾波器功能。圖11為系統增加濾波器功能調整結果。
反饋環節的分辨率包括位置分辨率和速度分辨率，位置分辨率是位置傳感器檢測位置信號的最小增量值。速度分辨率可以表示為VRESOLUTION= PRESOLUTION /TSAMPLE。比如，一個伺服系統的位置傳感器采用2000PPR的編碼器，采樣頻率FSAMPLE為4kHz，則系統的位置分辨率為8000CPR，速度分辨率為30r/min。圖12所示為系統提高分辨率的調整結果。
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綜合技術