伺服控制的定義
伺服控制概念的提法很多，其實概念的提法並不重要。為滿足某種目的，產生運動和對物體運動進行控制是我們人類最重要的活動之一。所謂伺服控制指對物體運動的有效控制，即對物體運動的速度、位置、加速度進行控制。這種控制正在變得隨處可見和越來越普遍。
伺服電機伺服控制採用的新技術
1、伺服電動機
伺服電動機有兩項技術值得注意，一是高密度電機，採用一種叫“大極電機”的設計思想。例如六極九槽電機，定子由九個獨立的極構成，在每個極上繞制集中線圈，然後再將九個極拼裝起來，形成九個槽的電機鐵芯。由於每個極是獨立繞制和整形，所以即使採用自動機繞，也能保持槽滿率高達90%。這類電機製造工藝好，空間利用和體積都達到了最小化，故稱為高密度電機。從運行原理上講，這類電機不屬於鏇轉磁場電機，它在三相脈振磁場下工作，因此，它的適用性、設計方法和運行方式都有一定特殊性，例如這類電機不適合方波電流驅動。電機界眼光都是一致的，目前，安川、松下、富士、科比、台達等小功率伺服電動機產品中均採用高密度電機設計方案，當然我們也不例外。
2、感測器
除了各類光電編碼器以外，磁編碼器值得關注。磁編碼器的體積和重量都比光電編碼器小几十倍，溫度範圍更寬，幾乎不怕衝擊和振動。其工作原理非常簡單，它的定子是一顆內嵌霍爾磁敏元件和DSP的晶片，體積可以小到MSOP-24封裝，它的轉子是一顆兩極磁鋼。它的解析度10─12位，精度8─10位。這種磁編碼器目前已有供應。
作為空間套用，為了滿足-350C─800C環境要求，幾乎難以採用傳統的光電編碼器，為此我們自行研製了磁編碼器，解析度16位，精度12位。磁編碼器信號處理電路共存於驅動控制電路(FPGA)中，形成感測器與驅動控制電路一體化。
電流感測器是伺服控制必不可少的，小功率系統可以採用電阻採樣，一般可採用霍爾電流感測器。兩種方法都要將模擬信號轉換成數位訊號，然後參於數字伺服控制。上述A/D轉換的輸出形式通常是串列數字脈衝或脈寬調製信號。美國IR公司專門為電阻採樣設計了一款電流反饋專用晶片IR2175。它具有12位解析度，600V原副邊耐壓，使用非常方便。為了提高耐壓等級和有效解析度，我們研製出一種極小體積的，基於霍爾磁平衡原理的電流感測器。它解析度12位，耐壓2500V，脈寬調製信號頻率168KHz。
3、伺服單元
2003年美國IR公司推出單晶片速率伺服控制系統，它內部包括：電機矢量FOC控制器、電流PI調節器、速度PI調節器、SVPWM調製器、感測器接口、SPI和並行通信接口等。IR公司推出的單晶片速率伺服控制系統的最重要特點是，允許用戶對上百種參數進行實時的和初始化給定。下圖所示速率伺服控制系統是我們利用IR公司晶片構建的套用系統。
我們在伺服控制系統方面有幾十年的積累，並通過與美國IR公司、美國AD公司等的合作研製出具有自主智慧財產權的單晶片高精度運動控制系統方案。
該技術在一片FPGA中實現了FOC控制器、電流PI調節器、速度PI調節器、位置PID調節器、速度前饋控制器、IIR濾波器、SVPWM調製器、梯形速度軌跡生成器、位置指令處理器、監控與保護環節、通訊模組、暫存器堆等所有伺服控制模組，並且在內部集成了CPU，可以完成鍵盤、顯示及外部通訊控制，為真正的數字可程式片上系統(SOPC)。
由於所有控制算法均用硬體實現，所以伺服控制器可以達到相當高的性能，其電流環與速度環採樣頻率均可達到20kHz，位置環採樣頻率可達10kHz以上，頻率指標主要由晶片本身性能限制。通過上位機可以訪問所有內部暫存器，能實現各種控制目的。所有參數可以進行線上修改，包括開關頻率、死區時間、調節器參數、濾波器參數等。適應於PMSM、IM、BLDCM等不同電機的驅動控制，併兼容霍爾感測器、增量式/絕對式碼盤、磁編碼器、鏇轉變壓器等各類感測器接口信號。可以接收脈衝指令、模擬指令以及數字指令等各種輸入信號，並可通過上位機或控制臺完成所有操作功能。具有控制器識別碼接口，易於實現多軸控制。
這種單片控制器大大減少了系統體積，提高了抗干擾性，加上完善的保護措施，保證了系統運行的可*性。
4、伺服組件
伺服組件指：由伺服電動機、機械減速或耦合機構、伺服控制器、感測器等組成的一體化伺服機構。例如：光碟機主軸驅動模組、機器人的關節、汽車電動助力機構等等。對組件的基本要求是：體積小、重量輕（即高密度），一體化獨成系統，互換性、可復用性和高可*性等等。伺服組件是我們的重要研究方向。其中三軸和四軸組件更有特色，這些多軸伺服控制器通常可以由一個FPGA運動控制IP核來實現。另外，伺服組件中的電磁兼容、熱分析與設計非常重要。
5、微小型CNC加工中心
CNC加工中心是伺服控制技術的大集成。小型CNC加工中心繫統由輕巧型工具機主體、高密度交流伺服電機、高精度編碼器、伺服單元和基於DSP+PC的數控系統五大部分組成，其顯著特點是擁有輕巧的外型，除採用自動虛擬刀庫外，具有常規CNC加工中心的功能和性能指標。與常規的CNC加工中心相比，該多軸加工系統具有更高的運行效率和更低的使用成本，在操作方便性、產品價格以及功能重組等許多方面都具有競爭力。它是一種能滿足計算機數字控制、自動化作業、高精度加工等普遍需求的普及型產品，是生產、教學、個人創造和勞動的有力助手。CNC加工中心是伺服控制技術套用的典範。
小型CNC加工中心的XYZ運動軸的解析度0.001(mm)，重複精度0.01(mm)，主軸（速率控制）轉速24000rpm，連動軸數4或5，支持DNC、AUTO、EDIT等工作方式，支持G代碼及Mastercam、AutoCAD、Pro/E等加工數據。
伺服控制的方式
一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式。1、轉矩控制
轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低於2.5Nm時電機正轉，外部負載等於2.5Nm時電機不轉，大於2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產生）。可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。
套用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。
2、位置控制
位置控制模式一般是通過外部輸入的脈衝的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈衝的個數來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由於位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般套用於定位裝置。套用領域如數控工具機、印刷機械等等。
3、速度模式
通過模擬量的輸入或脈衝的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優點在於可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統的定位精度。
4、伺服的三個環控制
伺服一般為三個環控制，所謂三環就是3個閉環負反饋PID調節系統。最內的PID環就是電流環，此環完全在伺服驅動器內部進行，通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進行PID調節，從而達到輸出電流儘量接近等於設定電流，電流環就是控制電機轉矩的，所以在轉矩模式下驅動器的運算最小，動態回響最快。
第2環是速度環，通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調節，它的環內PID輸出直接就是電流環的設定，所以速度環控制時就包含了速度環和電流環，換句話說任何模式都必須使用電流環，電流環是控制的根本，在速度和位置控制的同時系統實際也在進行電流（轉矩）的控制以達到對速度和位置的相應控制。
第3環是位置環，它是最外環，可以在驅動器和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構建，要根據實際情況來定。由於位置控制環內部輸出就是速度環的設定，位置控制模式下系統進行了所有3個環的運算，此時的系統運算量最大，動態回響速度也最慢。
5、三種控制方式的對比
如果對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恆轉矩，當然是用轉矩模式。
如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉矩不是很關心，用轉矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環控制功能，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。
就伺服驅動器的回響速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的回響最快；位置模式運算量最大，驅動器對控制信號的回響最慢。
對運動中的動態性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環從驅動器移到控制器上，減少驅動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環也從驅動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么乾，而且，這時完全不需要使用伺服電機。
