若說（shuō）當下的熱門科技，機器人絕對算一個（gè）。機器人作為典型的機電一體化技術密集型產品，它是如何實現運作的呢？
 
        機器人的控製分為機械本體控製和伺服機構控製兩大類，伺服控製係統則是（shì）實現機器人機（jī）械本體控製和伺服機構（gòu）控製的重要部分。因而要了（le）解機器人（rén）的運（yùn）作過程，必然繞不過伺服（fú）係統。
  
       
  
       伺服係統

       伺服係統是以（yǐ）變頻技術（shù）為基礎發展起來的產品，是一（yī）種（zhǒng）以機械（xiè）位置或角度作為控製對象的（de）自動控製係（xì）統。伺服係統除了可以進行速度與轉矩控製外，還可以（yǐ）進（jìn）行（háng）精確、快速（sù）、穩定的位置（zhì）控製。

       廣義的伺服係統是精確地跟（gēn）蹤或複現某個給（gěi）定過程的控製係統，也可稱作隨動（dòng）係統。

       狹義（yì）伺服係（xì）統又稱位置（zhì）隨動係統，其被控（kòng）製量（輸出量）是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量（輸入量）作任意變化時，係統的主要（yào）任務是使輸出量快速（sù）而準確（què）地複現給定量的變化。

      
  
       伺服係統的結構組成（chéng）
 
       機電一體化的伺服控製係統的結構、類型繁多，但從自動控製理論的（de）角度來分析，伺服控（kòng）製係統（tǒng）一般包括控製器、被控對象、執行環節、檢測環節、比較（jiào）環節等五部分。

      
  
       伺服係統組成原理框圖

       1、比較環節（jiē）

       比較環節是將（jiāng）輸入的指令信號與係統（tǒng）的反饋信號進行比較，以獲（huò）得輸出與輸入間的（de）偏差（chà）信號的環節，通常由專門的（de）電路或計算機來實現。

       2、控製器

       控製器（qì）通常是計算（suàn）機或PID（比例、積分和微分（fèn））控製電路，其主（zhǔ）要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控製執行元件按（àn）要求（qiú）動作。

       3、執行環（huán）節

       執行環節的作用是按（àn）控製（zhì）信號的要（yào）求，將輸入的各種形（xíng）式的能量轉化成機械能，驅動（dòng）被控對象工作。機電一體化係統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

       4、被（bèi）控（kòng）對象

       被控對象指被控製的物件，例如一（yī）個機械手 臂，或是一個機械工作平台。

       5、檢測環節

       檢測環節是指能夠對輸（shū）出（chū）進行測量並轉換成比（bǐ）較環節所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換（huàn）電路。

       伺服（fú）係統的特點和功用

       伺服係統與一般機床（chuáng）的進（jìn）給係統（tǒng）有本質上差別，它能根據指令（lìng）信號精確地控製執（zhí）行部（bù）件的運動速度與位置。伺服係統是（shì）數控裝置和機床的聯係環節，是（shì）數控係統的重要（yào）組成，具有以下特點（diǎn）：

       必須具備高精度的傳感器，能準確（què）地給出輸出量的電信號。

       功率（lǜ）放（fàng）大器以及控製係統都必須是可逆的。

       足夠大的調速範圍及足（zú）夠強（qiáng）的低速帶載性能。

       快速的響應能力和較強的抗幹擾能力。

       伺服係統（tǒng）的類型

       按控製（zhì）原理分：有開環、閉環和半閉環三種形式

       按被控製量性質分： 有（yǒu）位移、速度、力和力矩等伺服係統形式（shì）

       按驅動方式分（fèn）： 有電氣、液壓和氣壓（yā）等伺服驅動形式

       按執行元件分（fèn）： 有步（bù）進電機伺服（fú）、直流電機（jī）伺服和交流電（diàn）機伺服形式

       伺服係統的執行元件

       1、執行元件的種類及其特點
  
       
  
       （1）電氣式執行元件

       電氣執行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執行（háng）元件。對伺服電機除了要求運轉平穩（wěn）以外，一（yī）般還要（yào）求動態性能好，適合於頻繁使（shǐ）用，便於維修等。

       （2）液壓式執行元件

       液壓（yā）式執行元件主要包括往複運（yùn）動油缸、回轉（zhuǎn）油缸、液壓馬達等，其（qí）中（zhōng）油（yóu）缸最（zuì）為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點。

       （3）氣（qì）壓式執行元件

       氣壓式執行元件除了用壓縮空氣（qì）作工作介質外，與液壓式執行元件沒有區別。氣壓驅（qū）動雖可得到較（jiào）大（dà）的驅動力、行程和速度，但由於空（kōng）氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求（qiú）較高的場合使用。

       三種類型（xíng）的區別
  
      

  
       2、常（cháng）用的控製用電機

       控製用電機是電氣（qì）伺服（fú）控製係統（tǒng）的動（dòng）力部件。它是將電能轉換（huàn）為機械能的一種能量轉換裝置。機電一體化產品中常用的控製用電（diàn）機是指能提供正確運動或較複雜動作的伺服電機。

       控製用電機有回轉（zhuǎn）和直線驅動電機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈衝（chōng）)等控製，實現（xiàn）定速、變速驅動或反複啟動（dòng）、停止的增量驅動（dòng）以及（jí）複雜的驅（qū）動，而（ér）驅動精度隨驅動對象的不同而不同。

       （1）伺服（fú）驅動電機一般是指：步進電機（Stepping Motor）、直流伺服電機(DC Servo Motor)、交（jiāo）流伺服電機(AC Servo Motor)

       
  
       （2）常用伺服控製電動機的控製方式主要有：開環控製、半閉環控製、閉環（huán）控製三種。

       閉環係統的驅動係統具有位置(或速度)反饋環節；開環係統沒有位置與速度反饋環節。

       a、開環數控係統

       沒有位置測（cè）量裝置（zhì），信號流是單向的（數控裝置→進給係統（tǒng）），故係統穩定性好。

       
  
       無（wú）位置（zhì）反饋，精度相（xiàng）對閉環係統來講不（bú）高，其精度（dù）主要取決於伺服驅動（dòng）係統和機械（xiè）傳（chuán）動機構的性能和精度。一般以功率步進電機（jī）作為伺服驅動元件（jiàn）。

這類係統具（jù）有結構簡單、工作穩定、調試（shì）方便、維修簡（jiǎn）單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力（lì）矩不大的（de）場合（hé）得到（dào）廣泛應用。一般用於經濟型數控機床。

       b、半閉環數（shù）控係統

       半閉環數控係統（tǒng）的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置（zhì）(常用伺服電機)或絲杠（gàng）引出，采樣旋轉角度進行檢測，不（bú）是直接檢測運動部件的實際位置。

      
  
       半閉環環路內（nèi）不包括或隻包括少（shǎo）量機（jī）械傳動（dòng）環節，因此可（kě）獲得穩定的（de）控製性能，其係統的穩定性雖（suī）不如（rú）開環係統，但比閉環要好。由於絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可（kě）獲得滿意的精度。

       半閉（bì）環數控係統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床（chuáng）中得到（dào）了廣泛（fàn）應用。

       c、全閉環數控係統

       全閉環數控係統的位置采樣點如圖的虛線（xiàn）所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。

      
  
       從理論上講，可以消除整（zhěng）個驅動和傳動環節的（de）誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控製精度。由於位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特（tè）性、剛性和間隙都（dōu）是非線性的，故很容（róng）易造（zào）成係統的不穩定，使閉環係統的設計、安裝和調試都相當困難。

       該係（xì）統主要用於精度要求很高的鏜銑（xǐ）床、超（chāo）精車床、超精（jīng）磨床以（yǐ）及較大型的數控（kòng）機床等。

       機器人的伺服係（xì）統

       通（tōng）常情況下，我們所說的機器人伺服係統是指應（yīng）用於多軸運動控製（zhì）的精密伺服係統。一個多軸運動控製係（xì）統是由高階運動控製器與低階伺服驅動器所組成，運動控製器負責運動控製命令譯（yì）碼、各個位（wèi）置控製軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控製等等，其主要作用在於降低（dī）整體係（xì）統運動（dòng）控製的路徑誤差;伺服驅動器負責（zé）伺服電機的（de）位置控製，其主要作用在於（yú）降低伺服軸的追隨誤差（chà）。

       機器（qì）人的伺服係（xì）統由伺服電機、伺服驅動（dòng）器、指令機構三大部分構成，伺服電機是執行機構，就是靠它來實現運動的，伺服（fú）驅動器（qì）是伺服電機的功率電源，指令（lìng）機構是發脈衝或者給（gěi）速度用於（yú）配（pèi）合伺服（fú）驅動（dòng）器正常（cháng）工作的。

      
  
       機器人對伺服電（diàn）機（jī）的要求比其它兩個（gè）部分都高（gāo）。首先要求伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令信號到完成指令（lìng）所要求的（de）工作狀態的時間應（yīng）短。響應（yīng）指令信號的時間愈短，電伺服係統的靈（líng）敏性愈高，快速響應（yīng）性能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數的大小來說（shuō）明伺服電機快速響應的性能。其次，伺服電機的起動轉（zhuǎn）矩慣量比要大。在（zài）驅動負載的情況下（xià），要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣（guàn）量小。最後，伺服電機要具有控製特性的（de）連續性和直線性，隨著控製信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控製信號（hào）成正比或近似成正比。

       當然，為了配合機器人的體（tǐ）形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短。還要（yào）經受得起苛刻的運（yùn）行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，並（bìng）能在短時間內承受數倍過載。

       伺服驅動器是可利用各（gè）種電機產生的（de）力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執行機構，具有（yǒu）轉矩（jǔ）轉動慣量比高（gāo）、無（wú）電刷及換向（xiàng）火花等優點，在機器人中應用比較廣泛。

       伺服係統的發展趨勢

       隨著（zhe）伺服係統的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求也越來越高。總的來說，伺服係（xì）統的發展趨勢可以概括為以下幾個方麵：

      
  
       集成化：伺服控製係統的（de）輸出器件越來越多（duō）地采用開關頻率（lǜ）很（hěn）高的新型功率半導體器件，這種（zhǒng）器件將輸入隔離、能耗製（zhì）動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集（jí）成於一個不大的（de）模塊之中，構成高精度的全閉環調節（jiē）係統。高度的集成化顯著地縮小了（le）整（zhěng）個控製係統的體積。

       智能化：伺服係統的智能化表現在以下幾個方（fāng）麵:係統的所有（yǒu）運行參數都可以通過（guò）人機對話的（de）方（fāng）式由軟件（jiàn）來設置;它們都具有故障自診斷與分析功能;參數自整定的功能等。帶有自整定功能（néng）的（de）伺服單元可以通過幾次試運行，自動將係統的參數（shù）整定出來，並自動實現其最優化。

       網絡化：伺服（fú）係（xì）統網絡化是綜（zōng）合自動（dòng）化技術（shù）發展的必然趨勢，是控製技術（shù）、計（jì）算機技術（shù）和（hé）通信技（jì）術相結合的產物。

       簡易（yì）化：這（zhè）裏所說的“簡”不是簡（jiǎn）單而是精簡，是根據用戶（hù）情況，將用戶使用的伺服功能予以強化，使之專而精（jīng），而將不使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服係統成本，為客戶創造（zào）更多的收益。

       機器人的工作表現（xiàn）受伺服係統影響極（jí）大（dà），因而精密伺服（fú）係（xì）統的關鍵性（xìng）能（néng）指標永遠都是先進性比較的首（shǒu）要因素。國外先進伺服（fú）係統已經能夠很好地適應絕大多數應用的需求，其研發資源集中（zhōng）在個別高端應用及（jí）整（zhěng）體性能提升方麵，處於精雕細刻階段。在工（gōng）業4.0的大背景下，國產伺服任重而道遠（yuǎn），還需努（nǔ）力追（zhuī）趕。