伺服系统介绍.doc

一、相关概念

伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。

在机器人中，伺服驱动器控制电机的运转。驱动器采用速度环，位置环，电流环三环闭环电路，内部还设有错误检出和保护电路。驱动器通过通信连接器，控制连接器，编码连接器跟外部输入信号和输出信号相连。通信连接器主要用于跟电脑或控制器通信。控制连接器用于跟伺服控制器联接，驱动器所需的输入信号、输出信号、控制信号和一些方式选择信号都通过该控制连接器传输，它是驱动器最为关键的连接器。编码连接器跟电机编码器连接，用于接收编码器闭环反馈信号，即速度反馈和换向信号。

伺服电机主要用于驱动机器人的关节。关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所需要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服电机的要求非常高，必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻，还必须经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的条件，做到高可靠性和稳定性。伺服电机分为直流、交流和步进，工业机器人用的较多的是交流。

机器人用伺服电机

二、伺服系统的技术现状

2.1视觉伺服系统

随着机器人技术的迅猛发展,机器人承担的任务更加复杂多样,传统的检测手段往往面临着检测范围的局限性和检测手段的单一性.视觉伺服控制利用视觉信息作为反馈，对环境进行非接触式的测量,具有更大的信息量，提高了机器人系统的灵活性和精确性,在机器人控制中具有不可替代的作用。

视觉系统由图像获取和视觉处理两部分组成,图像的获取是利用相机模型将三维空间投影到二维图像空间的过程,而视觉处理则是利用获取的图像信息得到视觉反馈的过程。基本的相机模型主要包括针孔模型和球面投影模型,统一化模型是对球面模型的推广,将各种相机的图像映射到归一化的球面上。视觉伺服中的视觉反馈主要有基于位置、图像特征和多视图几何的方法。

其中,基于位置的方法将视觉系统动态隐含在了目标识别和定位中，从而简化了控制器的设计，但是一般需要已知目标物体的模型，且对图像噪声和相机标定误差较为敏感。基于图像特征的视觉反馈构造方法，其中基于特征点的方法在以往的视觉伺服中应用较为广泛，研究较为成熟，但是容易受到图像噪声和物体遮挡的影响，并且现有的特征提取方法在发生尺度和旋转变化时的重复性和精度都不是太好，在实际应用中存在较大的问题。因此，学者们提出了基于全局图像特征的视觉反馈方法，利用更多的图像信息对任务进行描述，从而增强视觉系统的鲁棒性，但是模型较为复杂，控制器的设计较为困难，且可能陷入局部极小点。目前针对这一类系统的控制器设计的研究还比较少,一般利用局部线性化模型进行控制,只能保证局部的稳定性。多视图几何描述了物体多幅图像之间的关系，间接反映了相机之间的几何关系。相比于基于图像特征的方法，多视图几何与笛卡尔空间的关系较为直接，简化了控制器的设计。常用的多视图几何包括单应性、对极几何以及三焦张量。

2.2伺服系统控制技术

现代的机器人伺服系统多采用交流伺服驱动系统，而且正在逐渐向数字化方向转变。数字控制技术已经五孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器，把功能更加强大的控制器芯片已经各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服系统中，可以实现更好的控制性能。

最近几十年，由于微电子技术的进步，各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。如今，各种新型的伺服控制策略大量涌现，大有与传统控制策略一较高低的趋势下面简单介绍几种：

1）矢量控制矢量控制技术的提出，为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量，且使两电流分量相互正交，同时对交直轴电流分量的

幅值和相位进行控制，可以获得像直流电机一样优越、甚至更好的动态控制性能。

2）直接转矩控制德国专家提出“直接自控制”的高性能交流电动机控制策略，此种控制策略不需要像矢量控制那样对电动机定子矢量电流进行大量而复杂的解耦变换，再通过控制解耦获得的交流电流分量来间接的控制电动机电磁转矩，它采用定子磁场定向的控制方式，对交流电机的电磁转矩进行直接控制。此方式只受电动机定子绕组阻值的影响，对其他参数的变动稳态性好，解决了矢量控制受电动机本体参数影响大的缺点。开始有部分专家学者通过深入研究把直接转矩控制理论引入到交流同步电动机当中，完成了直接转矩控制技术在交流同步电动机伺服驱动领域的最大突破。

3）智能控制智能控制理论是最近几十年的新兴学科，它的迅速发展为交流永磁伺服控制技术的进步注入了新鲜的血液。智能控制技术由于其自身的理论特点，在非线性控制领域中比经典控制理论更具优势

三、伺服系统市场现状

3.1行业规模

由于我国在伺服系统相关技术发展较晚难以与国外品牌竞争，直到2000年，中国加入WTO，中国企业在吸取国外先进技术经验的前提下，开始自主研发伺服系统。至此，中国的伺服系统的市场份额有所提高。到了2011年市场容量60多亿元，比上年增长22.0%。2012年，由于国际经济的影响以及国内供求问题导致伺服市场下滑14.9%。直到2013年下半年，伺服市场才开始逐步回暖，上升幅度在5%左右。现在中国的伺服系统市场仍由国外企业占据大半壁江山。

2011年我国伺服电机市场容量23多亿元，比上年增长10.2%，伺服市场增长恢复稳定，这得益于国家相关的经济政策。2012年伺服电机市场受国际经济疲软和国内需求不足、产能过剩影响，市场下滑5.56%，近6年来首次出现下滑，且下滑幅度较大。2013年中国伺服电机市场上半年仍缓慢下滑，下半年触底回温，全年涨幅约8%。分析当前国内用户的购买因素，占前三位的是稳定可靠性、价格和服务。这也说明目前国内伺服电机市场还处在较低级的阶段，对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。从长远来看，伺服厂商的关键成功因素应该是产品的性价比、可靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。一批国内企业也在激烈的市场竞争中逐渐成长起来。

伺服电机市场竞争激烈，品牌众多，日资和欧美品牌市场份额约75%。其中安川、三菱、松下等日系品牌性能低于欧系，但可靠性和稳定性强，性价比高，最适合国内客户需求，约占50%的份额；西门子、伦茨、博世力士乐等欧系品牌过载能力、动态响应、驱动器开放性好，但价格昂贵，约有30%的份额；台系品牌使用简单，性能接近日系，在中低端发展较快。

国产伺服电机技术落后，集中在低端。国产伺服电机起步较晚，2000 年以后开始研发，在功能、性能和工艺方面和国外产品仍有较大的差距，尤其是没有完全掌握自适应机械共振抑制技术、自适应低频震动技术和惯量动态前馈技术等关键技术。国产伺服电机以小功率的低端产品为主，以性价比的优势满足中小型和经济型用户的需求，高精度伺服电机还在技术攻关阶段。