伺服系統(tǒng)必須具備可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強(qiáng)等基本性能。交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、轉(zhuǎn)矩波動、動態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面來衡量。

　　調(diào)速范圍是指電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最低平穩(wěn)轉(zhuǎn)速之比。低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以達(dá)到1∶100000以上。定位精度取決于編碼器的脈沖數(shù)與驅(qū)動器對編碼器的倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)，例如2048線的編碼器，在其倍頻數(shù)為2048的條件下，理論定位精度可以達(dá)到360°/(2048×2048)。 過去在測量技術(shù)比較落后的情況下，用戶還采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，例如將測量元件(如自整角機(jī))的測量軸通過減速器與轉(zhuǎn)軸相連，使轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角得到放大，來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。

　　通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測角線路稱為精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測角線路稱為粗讀數(shù)通道。穩(wěn)速精度，尤其是低速(比如速度給定1r/min時)下的穩(wěn)速精度，一般在±0.1r/min以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到±0.01r/min以內(nèi)。通常情況下，一些驅(qū)動器還以其額定轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)來作為速度精度，例如西門子伺服驅(qū)動器的理想速度精度通常為其額定轉(zhuǎn)速的0.001%。

　　轉(zhuǎn)矩波動也是衡量伺服系統(tǒng)性能的指標(biāo)，它是由驅(qū)動器、電機(jī)以及負(fù)載共同決定的。性能優(yōu)良的伺服系統(tǒng)其轉(zhuǎn)矩波動要求在±3%的范圍內(nèi)。通常，衡量動態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率和上升時間。上升時間指當(dāng)速度設(shè)定點(diǎn)突然變化到實(shí)際速度穩(wěn)定在設(shè)定值±2%的范圍的時間，其中包括系統(tǒng)的死區(qū)延遲。最高響應(yīng)頻率即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過90°或者幅值不小于71%(-3dB)。如圖所示，X(t)與Y(t)信號分別為系統(tǒng)的輸入與輸出。

　　時域范圍內(nèi)的信號曲線

　　另外，從頻域上分析，系統(tǒng)的帶寬反映伺服系統(tǒng)跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。根據(jù)速度閉環(huán)的伯德圖，可以得到系統(tǒng)的帶寬。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性的限制，慣性越大，帶寬越窄。通常情況下，伺服系統(tǒng)的帶寬會隨著功率范圍的增加而變小。目前大部分產(chǎn)品的速度頻帶在200～500Hz，少數(shù)產(chǎn)品可以達(dá)到更高，如三菱伺服電機(jī)MR-J3系列的響應(yīng)頻率聲稱可高達(dá)900Hz。

　　速度閉環(huán)的伯德圖

　　運(yùn)行穩(wěn)定性主要是指系統(tǒng)在電壓波動、負(fù)載波動、電機(jī)參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾以及其他特殊運(yùn)行條件下，維持穩(wěn)定運(yùn)行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。這方面我國產(chǎn)品(包括部分臺灣產(chǎn)品)和世界先進(jìn)水平相比差距較大。

　　影響伺服系統(tǒng)性能的因素

　　(1)電機(jī)

　　電機(jī)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，電機(jī)執(zhí)行能力的好壞將決定整個伺服系統(tǒng)的控制特性。常見的伺服電機(jī)可以分為直流調(diào)速電機(jī)與交流調(diào)速電機(jī)。和直流電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等帶來的缺點(diǎn)。同時，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)子阻抗、電刷結(jié)構(gòu)以及散熱等都會影響伺服系統(tǒng)的性能。

　　(2)編碼器

　　編碼器作為控制的反饋元件，也是影響系統(tǒng)精度的重要因素。首先，編碼器的脈沖數(shù)會直接影響系統(tǒng)的定位和速度控制精度;其次，編碼器的最高轉(zhuǎn)速也制約電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。目前，用于伺服控制系統(tǒng)的編碼器通常為光電編碼器，分為增量式、絕對值、正余弦以及旋轉(zhuǎn)變壓器等類型。編碼器的抗干擾能力會給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來直接的影響。對于永磁同步電機(jī)，正確的轉(zhuǎn)子位置識別也是控制的前提，因此，編碼器能提供給驅(qū)動器正確的轉(zhuǎn)子位置，也是控制的關(guān)鍵。

　　(3)驅(qū)動器

　　驅(qū)動器是伺服控制的核心。根據(jù)電機(jī)類型的不同，驅(qū)動器也分為不同的種類，如晶體管放大驅(qū)動器、直流驅(qū)動器及交流驅(qū)動器，目前工控行業(yè)比較常見的是交流驅(qū)動器。例如，西門子公司推出的Sinamics S120驅(qū)動器，其實(shí)是通過SPWM方式來控制電機(jī)的，其控制方式是空間矢量控制。通常情況下，電流環(huán)與速度環(huán)都是在驅(qū)動器中實(shí)現(xiàn)的，而位置控制可以在運(yùn)動控制器中完成，也可以在驅(qū)動器中實(shí)現(xiàn)。電流環(huán)與速度環(huán)的閉環(huán)特性是衡量一個控制系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)，如電流環(huán)與速度環(huán)的采樣周期，速度環(huán)與電流環(huán)的帶寬，控制回路上的各種濾波、延遲等，都會影響系統(tǒng)的精度與動態(tài)響應(yīng)能力。

　　(4)運(yùn)動控制器

　　運(yùn)動控制是在驅(qū)動器的速度環(huán)基礎(chǔ)上，增加了位置控制、齒輪同步、凸輪、插補(bǔ)等運(yùn)動控制功能的控制方式。 運(yùn)動控制器對驅(qū)動器的控制方式有3種，即數(shù)字通信方式、模擬量方式、脈沖方式。

　　①數(shù)字通信方式：分辨率高，信號傳輸快速、可靠，可以實(shí)現(xiàn)高性能的靈活控制，需要通信協(xié)議。例如，西門子的Simotion與驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)交換采用基于Profibus或Profinet的Profidrive協(xié)議。還有其他一些歐系公司采用CAN總線的方式，日系安川公司推出了基于MECHATROLINK總線的驅(qū)動產(chǎn)品，通過以上的總線方式，實(shí)現(xiàn)了傳動與運(yùn)動控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸控制，特別適合于需要各軸間的協(xié)調(diào)同步和插補(bǔ)控制的應(yīng)用，除了實(shí)現(xiàn)機(jī)械所必需的轉(zhuǎn)矩、位置、速度控制功能以外，還可實(shí)現(xiàn)要求精度極高的相位協(xié)調(diào)控制等。

　　②模擬量方式：分辨率低，信號可靠性與抗干擾性能差，但兼容性好。例如，西門子的運(yùn)動控制器Simotion與第三方驅(qū)動器之間的控制可以通過模擬量的方式來實(shí)現(xiàn)。

　?、勖}沖方式：可靠性高，快速性差，靈活性差。驅(qū)動對象為步進(jìn)電機(jī)。

　　在系統(tǒng)選型配置過程中，運(yùn)動控制器對驅(qū)動器的控制方式是設(shè)計者需要考慮的重要因素。通信是最穩(wěn)定、快捷的控制方式，同時要考慮通信的傳輸速度。通信周期受通信速率與數(shù)據(jù)量大小的制約，以西門子的運(yùn)動控制器Simotion為例，在傳輸速率為1.5Mbit/s的情況下，控制6個以上的軸時，系統(tǒng)的通信周期默認(rèn)為3ms。同時，受通信周期的限制，運(yùn)動控制器的插補(bǔ)周期與位置環(huán)采樣周期通常為通信周期的整數(shù)倍。對于運(yùn)動控制器來說，其插補(bǔ)周期與位置環(huán)采樣周期是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

　　(5)機(jī)械傳動

　　電機(jī)通?？繖C(jī)械傳動結(jié)構(gòu)(如聯(lián)軸器、齒輪箱、絲杠、傳送帶、機(jī)械凸輪等)與負(fù)載相接。這樣，聯(lián)軸器的剛性、齒輪間隙、傳送帶的松緊都會影響系統(tǒng)的控制精度。例如，對于直線移動的執(zhí)行部件，電機(jī)通?？客狡л喕蛘呓z杠進(jìn)行連接，同步皮帶輪的嚙合間隙或者絲杠螺母的滾珠與滾道間隙等，都會對直線運(yùn)動位移精度造成影響。而對于機(jī)械凸輪，必須保證速度或加速度邊界條件，才能使系統(tǒng)不至于產(chǎn)生機(jī)械諧振。

　　(6)負(fù)載

　　作為控制的最終對象，負(fù)載對系統(tǒng)性能的影響也不可忽略。負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量的大小會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，如轉(zhuǎn)動慣量大，其加速與停止過程中會要求系統(tǒng)的輸出扭矩大，要求驅(qū)動器的驅(qū)動能力高。另外，負(fù)載與電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量比也會影響系統(tǒng)的性能，轉(zhuǎn)動慣量比越小，控制越容易，但電機(jī)的效率越低;慣量比大，會給系統(tǒng)的高頻帶來諧振點(diǎn)，從而增加控制難度。關(guān)于負(fù)載與電機(jī)慣量比的分配，可以參考BoschRexroth公司給出的“適配標(biāo)準(zhǔn)” ：快速定位<2∶1，修正定位<5∶1，高速率變換<10∶1。

　　轉(zhuǎn)動慣量

　　概念

　　轉(zhuǎn)動慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動慣性大小、衡量剛體抵抗旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的慣性的物理量。其地位相當(dāng)于剛體平動中的質(zhì)量，它與剛體的質(zhì)量以及質(zhì)量相對于轉(zhuǎn)軸的分布有關(guān)。

　　物理意義

　　直接理解轉(zhuǎn)動慣量比較抽象，但是我們可以用我們最常見、最直觀的質(zhì)量來做類比。

　　如果我們用同樣的力在兩個質(zhì)量不同的物體上作用，質(zhì)量重的那個物體速度變化慢。因此質(zhì)量的物理意義為可以反映出物體平動狀態(tài)下的慣性：質(zhì)量越大，則慣性越大，即越難改變平動運(yùn)動時它的運(yùn)動狀態(tài)(從靜止開始，質(zhì)量大的物體比質(zhì)量小的物體更難被加速)。

　　同理，如果我們用同樣的力矩(使物體平動的叫力，使物體轉(zhuǎn)動的叫力矩)作用在物體上想讓它轉(zhuǎn)動，不同的物體轉(zhuǎn)動的角速度變化(類似于平動中的加速度)的快慢也不同，影響角速度變化快慢的這個因素就是轉(zhuǎn)動慣量。即轉(zhuǎn)動慣量反映物體轉(zhuǎn)動下的慣性：轉(zhuǎn)動慣量大的物體角速度難于被改變。

　　公式

　　其中： 為剛體的轉(zhuǎn)動慣量， 是每一個微元的質(zhì)量， 為每一個微元到轉(zhuǎn)軸的距離。

　　1、相同質(zhì)量的物體，質(zhì)量的分布(每一個微元距轉(zhuǎn)軸的距離)如果不同，其轉(zhuǎn)動慣量也不同。

　　2、質(zhì)量分布均勻的物體，質(zhì)量不同其轉(zhuǎn)動慣量也不同。

　　平動和轉(zhuǎn)動中物理量關(guān)系

　　(7)安裝

　　待上述對象都得到確認(rèn)后，現(xiàn)場裝置的安裝也會給整個系統(tǒng)帶來新的問題，比如如何做好系統(tǒng)的接地，如何避免EMC干擾，使用合適的屏蔽電纜等，都是系統(tǒng)設(shè)計不可忽視的問題。例如，在編碼器的電纜屏蔽層沒有真正接地的情況下，反饋信號會夾雜著噪聲，這種噪聲對控制的精度有很大的影響，甚至?xí)?dǎo)致裝置停機(jī)。

　　(8)系統(tǒng)的成套性

　　在整個運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，建議使用者盡可能采用同一廠家的產(chǎn)品，包括運(yùn)動控制器、驅(qū)動器、伺服電機(jī)等，保證系統(tǒng)的成套性，因?yàn)檫@樣能夠避免如連線、配置、通信等方面的問題。單獨(dú)購買各部件所帶來的問題首先是連接順序的復(fù)雜化，電機(jī)、驅(qū)動終端和反饋設(shè)備(包括編碼器、分解器、霍爾傳感器等)可以有多種不同的連接次序。采用同一供應(yīng)商的電機(jī)和驅(qū)動器還有一個好處，就是能更好地安裝、調(diào)試軟件，并確保其兼容性 。另外，每一款電機(jī)的參數(shù)都不一致，與其匹配的驅(qū)動器都有其默認(rèn)參數(shù)，從電機(jī)參數(shù)的識別方式來看，驅(qū)動器也有專有的識別方式。對于第三方電機(jī)，驅(qū)動器所能夠識別的程序可能不夠準(zhǔn)確;而在精密的運(yùn)動控制系統(tǒng)中，一個參數(shù)的差別可能會影響電機(jī)的驅(qū)動性能，從而影響控制精度。因此，建議用戶盡量采用同一廠家的配套產(chǎn)品。