伺服系统—－机电一体化关键技术
“伺服机构系统”源自servomechanism system，系指经由闭环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。一个伺服系统的构成通常包含被控对象（plant）、驱动器（actuator）、控制器（controller）等几个部分，被控对象系指被控制的物体，例如一个机械手臂，或是一个机械工作平台。驱动器的功能在于主要提供被控对象的动力，可能以气压、液压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用液压驱动方式，一般称之为液压伺服系统。目前绝大多数伺服系统采用电力驱动方式，驱动器包含了电机与功率放大器，特别设计应用于伺服系统的电机蒙古自治区称之为伺服电机（servo motor），通常内部含有位置反馈装置，如光电编码器（optical encoder）或是旋转变压器（resolver），目前主要应用于工业界的伺服电机包括直流伺服电机、永磁交流伺服电机和感应交流伺服电机，其中又以永磁交流伺服电机占绝大多数。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制，如转矩控制、速度控制和位置控制等。目前一般工业用伺服驱动器（servo drive）通常包含了控制器和功率放大器。
一个传统伺服机构系统的组成如图1所示，伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器与转矩控制器，电机通常提供模拟式的速度反馈信号，控制界面采用±10V的模拟信号，经由外回路的模拟命令，可直接控制电机的转速或转矩。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。图2所示是一个现代的伺服机构系统结构图，其中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服电机提供高分辨率的光电编码器反馈信号。
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、数控机床、电子零件组装系统、PCB自动插件机等等。图3所示是一个运动控制平台的方块图，工作对象的位置控制可通过平台的移动来实现，平台位置的检测有两种方式，一种是由伺服电机本身所安装的光电编码器，由于是以间接的方式反馈工作对象的位置，再通过闭环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传感组件安装在平台上，如光学尺、激光位置检测计等等，直接反馈工作对象的位置，再通过闭环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 driver）所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、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电机的位置控制，主要关键在于降低伺服轴的追随误差。图4所示是一个双轴运动控制系统的简化控制方块图，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虑的观点来解决这个问题。
网络分布式伺服系统
随着网络通讯技术的进步，采用实时网络通讯技术的伺服系统也随之发展，图5所示是利用SERCOS实时通讯网络技术（real-time network communication）所发展的网络控制分布式伺服系统，目前已有多种采用不同通讯协议的分布式运动控制系统，如SERCOS、Real-Time Ethernet、Real-Time CAN bus。应用高速网络技术于分布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。
基于以太网的运动控制联网技术
2003年初，当第三代SERCOS和PROFInet工作组为今后的运动控制联网技术提出解决方案时，他们建议采用以太网作为伺服驱动联网的基础，促使伺服驱动系统的性能明显地提升。这两个工作组都声称，对于高性能运动控制应用来说，标准的以太网技术可作为下一代版本的物理层——以及作为高性能运动控制应用的兼容协议。
在2003年汉诺威博览会上，PROFIBUS国际组织（http://www.profibus.com/）宣布，该组织在PROFInet 3.0 IRT版本基础上，开始为高动态运动控制应用开发一个高性能的实时解决方案，这个解决方案采用标准的以太网媒介，可兼容的协议以及能嵌入交换机和协议的ASIC（专用集成电路），从而保证实时性和确定性。
同样在2003年汉诺威博览会上, SERCOS宣布，已开始开发下一代SERCOS（NGS）协议，以进一步改善SERCOS接口标准，该协议将引入工业以太网技术。
以太网应用于运动控制领域
以太网在运动控制领域应用的最大优点是硬件、电缆投资成本低，以及作为事实上的标准，而在培训、灵活性、被人熟悉程度等方面所拥有的好处。以太网在商务领域是标准网络，在几乎每家公司的所有PC上广泛应用。在制造业领域，以太网的应用也在增长，许多公司已经建立了维护与支持的基础设施以有效地配置与管理这些网络。
以太网在运动控制领域应用的最大障碍是其如何克服在实时性能上天生的缺陷，保障确定性所需的额外硬件成本，星型网络拓扑的局限性及特定的实施是否能提供互操作性的问题。FireWire（IEEE-1394）作为运动控制联网协议的基础，其拥护者已经设立IEEE-1394标准，内建确定性的FireWire标准芯片集支持实时应用。
第三代SERCOS
新的SERCOS标准由包含SERCOS组织各会员公司成员的不同的工作组开发。在2003年德国SPS/IPC/DRIVES展上，其开发计划向业界公布，随后SERCOS组织还将致力于芯片级的技术开发。SERCOS的会员公司经过细致的市场调查，认为融合以太网和SERCOS的定时机制将导致一种鲁棒强、耐用和成本低有吸引力的运动控制联网技术。第三代SERCOS是采用以太网技术标准来扩展现有的SERCOS标准。所有节点（控制器、驱动器和I/O）不是连接到传统的环形拓扑结构上，就是连接到总线拓扑结构上。一个专用的、无冲突的实时通道用于硬实时通信，另一个附加的IP通道可以和实时通道并行地配置。这两种通道都采用标准的以太网框架，一个专用的控制器芯片负责实时通道通信量和IP通道通信量之间的切换，并保证所有连接节点的硬同步。第三代技术保持所有已被证明有效的SERCOS机制，例如行之有效的协议，硬件同步以及独特的运动控制协议行规，主要的增强功能是用于传输异步数据的附加IP通道（维护、诊断等信息）以及网络节点之间直接通信（交叉通信）的可能性。一个附加的改进是定义冗余机制，当采用环形拓扑结构时，可实现这个机制。例如，一根电缆断开时，这种冗余机制为通信提供可选择的路径，从而“无扰动”地恢复通信功能。
SERCOS的性能
使用高效的SERCOS协议并结合高带宽的快速以太网，SERCOS工作组声称，运动控制网络的性能将是引人注目的，预期的性能是在一个单独的网络上最多可支持150个驱动器，其更新的速率为500μs（取决于每个驱动器的数据量和配置的IP通道的规模）。性能的提高有助于实现信号集中处理的多轴驱动方案（16个驱动器，其更新的速率为62.5μs）。SERCOS组织还声称，第三代SERCOS将是一个成本很低，但效率相当高的新技术，所需要只是一个专用集成电路芯片，以太网连接器以及布线。不需要任何附加的以太网部件如网桥、路由器或交换机（这些会显著地增加成本）就能实现硬实时性能，所有这些使第三代SERCOS即使对“低成本设备”亦是颇具吸引力的。SERCOS将继续支持光纤接线，可以使控制驱动器运行的对干扰敏感的控制器不受电机产生的电磁干扰的影响。对运动控制而言，下一代SERCOS网络将采用CAT5级别的电缆作为物理媒介，网络的其余部分是混合的以太网技术，但是有一定数量的SERCOS环形拓扑结构以及位于该以太网媒介顶部的其他配置属性。新的SERCOS体系结构将提供不同的模型，而不是只通过带宽来解决问题，利用时间服务的优点可以在一个时间同步化的网络上，实际上获得比在-超高速网络上能得到的更佳的性能和高可靠性。
伺服系统协同整合技术
伺服系统具有协同技术（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、数字控制、电机控制、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，而这一系统整合的特质，会随着微电子技术的进展，更明显的以“实时多任务柔性控制技术”的方式呈现。伺服系统的整合过程如图6所示。
伺服系统分层控制结构
伺服系统一般包括多个控制环路，如电流环，速度环，位置环等。这些环路的动态相应（频带宽度）不同，环路的作用也不同。因此，可以根据这些特点，将不同的环路在软硬件设计上进行分层处理，按照系统工程的思想，选择合理的硬件结构和相应的控制策略，使整个系统达到较高的性能/价格比。伺服系统的分层式控制结构如图7所示，伺服系统的闭环多回路控制结构如图8所示，现代伺服系统的分层式控制接口示意图如图9所示。
伺服机构理论（servomechansim theory）起源于二次世界大战期间，美国国防部为了发展具有自动控制功能的雷达追踪系统，委托麻省理工学院发展机械系统的闭环控制技术，这一发展奠定了后来伺服机构理论的基础。微处理器的发展，不仅带动了信息产业的发展，也间接带动了伺服驱动技术的发展。通用型伺服驱动器的系统结构与典型闭环控制系统的方块图分别如图10 、11 所示。
多回路控制结构
实际的伺服系统通常采用闭环多回路控制结构，如图12～15所示。此种控制结构，具有先天的解耦控制效果，可以分层负责完成一个伺服系统中所需要的位置、速度、加速度控制。
数字伺服控制技术的发展
随着高性能微处理器、数字信号处理器的发展，数字伺服控制技术已成为工业伺服系统的主流。数字电机控制技术的演变过程如图16 所示。
DSP数字伺服控制技术的发展
DSP可视为一个具有强大计算能力的微处理器，凡是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电机控制的单芯片DSP控制器，例如德州仪器的TMS320F24xx、TMS320F2812等等，不仅计算性能强大、具备电机控制所需要的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数字电机控制技术的发展。以DSP为核心的伺服系统解决方案如图17所示。
在工业控制的应用领域，如机器人控制、磁盘驱动器与光驱的控制、伺服控制等，采用DSP来实现数字控制器的主要着眼点在于其快速的计算能力。由于DSP的快速计算能力，可以实现具有适应能力的伺服系统，采用DSP来实现需要复杂计算的数字控制系统，以达到高性能控制系统的需求将成为未来的发展趋势。
关键技术包括:
·以单芯片DSP为核心的数字伺服控制技术;
·实时网络通讯技术应用于数字运动控制系统;
·适应型伺服控制技术;
·可程序数字式伺服控制IC的发展 。
计算机辅助伺服系统设计
由于伺服系统设计包含多项不同技术的整合，因此也使得其设计过程显得更为复杂。如何利用计算机辅助设计与实时在线控制仿真成为现代伺服系统设计的重要方法。伺服电机驱动系统的计算机辅助设计方案如图18所示。
关键技术包括:
·DSP结合MATLAB/SIMULINK的系统化设计方法与实现技术;
·实时在线控制模拟;
·计算机辅助伺服系统设计工具的开发。
伺服系统设计的一些实际问题
一个现代伺服系统的设计包含了机械设计、电机控制、电力电子、伺服控制、运动控制、程序设计、网络通讯协议、噪声抑制、实际应用等技术与经验，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。
一些重要的实际设计考虑应包括如下几个方面:
·高分辨率光电编码器的接口电路设计;
·如何从增量反馈信号计算转速;
·伺服系统的频宽要求;
·功率放大器电压输出与电流输出对伺服系统频宽所造成的限制;
·数字伺服系统采用定点或是浮点运算;
·控制回路取样频率的选择;
·电流反馈信号的取样方式与ADC转换器的分辨率要求。
结语
任何会动的东西都需要控制，电力驱动仍将是未来主要的驱动方式，随着微机电、电力电子、网络通讯技术的发展，各种形式的微型电机将可以通过有线的、无线的、电力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柔性控制的方式呈现，伺服技术的发展也将朝向单芯片控制、智能控制、网络联机的方向发展，未来智能型电子宠物、家庭机器人的市场需求，将进一步促进伺服技术的发展，具有网络接口智能型伺服控制芯片是一个值得投入研发的领域。
