伺服系統(tǒng)（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。

簡(jiǎn)單介紹了一下伺服電機(jī)的工作原理，接著看看它的三種控制方式：

1、位置模式

2、轉(zhuǎn)矩模式

3、速度模式

下面，就來依序看一下伺服電機(jī)的這三種控制方式到底是怎么回事。

1、位置模式

看這個(gè)名字，就能猜到個(gè)大概了，說白了就是對(duì)位置要求比較高，比如直線伺服模組這種機(jī)構(gòu)，需要滑動(dòng)機(jī)構(gòu)停止準(zhǔn)確，就用這種模式，說到這里，咱們順帶來看一下滾珠絲桿式模組的組成:

咱們自動(dòng)化中應(yīng)用的基本都是這種模式，還有就是，在位置模式下，PLC一般都是以通過發(fā)送脈沖給驅(qū)動(dòng)器的方式，來控制伺服系統(tǒng)。

那這種模式下，PLC又是怎么控制伺服電機(jī)的呢：通過發(fā)送的脈沖的頻率，來確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小；通過發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；當(dāng)然也有些伺服系統(tǒng)，PLC可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。

由于位置模式對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于需要精確定位的裝置，比如像上面說的直線模組，還有數(shù)控機(jī)床，印刷機(jī)械等等，可以說這種模式是應(yīng)用最廣的。

2、轉(zhuǎn)矩模式

我剛才說的例子中，后來就是應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩模式解決了問題，當(dāng)時(shí)具體情況是：機(jī)械手夾取住產(chǎn)品在給機(jī)床上料時(shí)，機(jī)床液壓頂針需要將產(chǎn)品頂進(jìn)主軸中，在這種情況下，剛好用到了轉(zhuǎn)矩模式，在頂針頂住產(chǎn)品前進(jìn)時(shí)，機(jī)械手伺服電機(jī)用轉(zhuǎn)矩模式，保證機(jī)械手在夾持住產(chǎn)品的同時(shí)，跟著產(chǎn)品一起前進(jìn)。

一般來說，應(yīng)用轉(zhuǎn)矩模式，都是對(duì)電機(jī)的速度、位置沒有什么要求，只需要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，就像我剛才的那種使用工況。

和位置模式不同的是，轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接對(duì)地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩，比如說：伺服系統(tǒng)中，如果10V對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是5N·m，那么外部輸入模擬量設(shè)置為5V時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩就是2.5N·m。

這時(shí)，如果電機(jī)軸負(fù)載小于2.5N·m時(shí)，電機(jī)就會(huì)正轉(zhuǎn)；負(fù)載大于2.5N·m時(shí)，電機(jī)會(huì)跟著負(fù)載方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)然負(fù)載等于2.5N·m時(shí)，電機(jī)就不轉(zhuǎn)。

這種控制模式咱們使用的不是很多，一般都是應(yīng)用在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化，隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

當(dāng)然，如果有其他場(chǎng)合用到了這種控制模式，也歡迎大家在評(píng)論區(qū)補(bǔ)充。

3、速度模式

在這種模式下，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有兩種方式：

1、外部對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖的頻率

就是通過上位機(jī)（比如PLC），對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的脈沖頻率，來控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，這種方式和位置模式是一樣的。

2、通過模擬量的輸入

這個(gè)方式和轉(zhuǎn)矩模式差不多，0-10V分別對(duì)應(yīng)的不同速度，外部輸入模擬量設(shè)定為不同的電壓時(shí)，伺服電機(jī)就會(huì)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

在速度模式下，伺服系統(tǒng)本身沒辦法做定位，如果想要實(shí)現(xiàn)定位功能，需要將電機(jī)的位置信號(hào)或者是負(fù)載的位置信號(hào)反饋給上位機(jī)，然后再由上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算控制，說白了就是：需要另外檢測(cè)電機(jī)或者負(fù)載的位置。

位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來提供了。

這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

4、三個(gè)環(huán)

伺服電機(jī)一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

下面這張是永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)三環(huán)控制框圖：

1、電流環(huán)

電流環(huán)處于最內(nèi)側(cè)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，說白了，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。

2、速度環(huán)

速度環(huán)控制時(shí)，包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制。

3、位置環(huán)

位置環(huán)位于最外側(cè)，它的作用就是用來幫助伺服電機(jī)準(zhǔn)確定位的。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的輸入設(shè)定，所以，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有3個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。