伺服系统的应用有哪些？实例介绍

伺服电机是控制精度高，响应速度快的工业自动化执行机构。通过这个设备，我们能够在如下行业大展拳脚，包括：

1、机械加工行业，包括：数控冲床、折弯机、剪板机等等。

2、印刷加工业，包括：胶印机、激光照排系统、喷绘机、折页机等等。

3、医疗检测设备，包括：监护仪、B超机、CT控制箱、X光机、切片机、血液透析机、温控仪等等。

4、食品加工行业，包括：杀菌机、标贴机、制罐机、流量控制仪、封口机、包装机、咖啡机等等。

一、 伺服系统行业发展状况

伺服系统是指以位置、速度、转矩为控制量，能够动态跟踪目标变化从而实现自动化控制的系统，是实现工业自动化精密制造和柔性制造的核心技术，属于高端工业自动化控制设备。由于具备定位精度高、动态响应快、稳定性好等性能特点，在对位置精度要求较高的行业中得到广泛应用，目前已普遍应用于机床工具、纺织机械、电子制造设备、医疗设备、印刷机械自动化生产线及各种专用设备等。

伺服系统可以分为通用伺服系统和专用伺服系统，其在市场规模、产品技术、应用领域等方面存在差异。在市场规模上，通用伺服市场规模较大，根据睿工业数据，2020 年我国通用伺服系统市场规模达到 164.38 亿元，专用伺服系统市场规模达到 37.28 亿元;在产品技术上，专用伺服需要基于不同行业的应用需求提供专业化产品，通用伺服需要使其产品在不同行业应用领域内均保持高水平运作，两者在产品技术路线上各有侧重;在应用领域上，通用伺服下游应用领域较广，包括包装、物流、3C 电子、锂电池、机器人、木工、激光等，专用伺服下游应用领域包括风力发电、矿山机械、缆车索道、电梯等。

1) 全球伺服系统行业发展状况

伺服系统的发展经历了由液压、气动到电气的过程，其中电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流和交流伺服系统。

20 世纪 50 年代，直流伺服电机实现了产品化并开始应用，但其存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点;20 世纪 70 年代后期到 80 年代初期，集成电路、交流可变速驱动技术的发展使得交流伺服系统逐渐成为主导产品;20 世纪 80 年代以来，由于电机永磁材料制造工艺的发展以及其性价比的日益提高，永磁交流伺服驱动技术有了突出发展。

随着交流伺服电机技术的成熟，交流伺服系统在国外得到快速发展，并涌现出松下、安川、三菱、西门子、博世力士乐、伦茨、施耐德等知名品牌，其中，日本品牌以良好的性价比和较高的可靠性占据了我国较大的市场份额，在中低端设备市场中具有优势， 而欧美品牌凭借较高的产品性能在高端设备中占据优势。根据市场调研机构 HIS Markit 的估算，2018 年全球伺服控制市场规模达 157 亿美元，由于全球人力成本普遍上升， 制造业向工业自动化发展的趋势明显，工业机器人的普及将极大推动市场对伺服系统的需求，预计全球伺服系统市场规模将于 2022 年突破 200 亿美元。

2) 我国伺服系统行业发展状况

我国的伺服系统产业起步较晚，2000 年以后随着国内中高端制造业不断发展，各行各业在生产制造活动中越来越多地需要使用伺服系统来实现产品制造高质量和高精度的目的，这一需求促使国内伺服系统市场呈现快速增长趋势。根据 MIR 睿工业的数据，2020 年我国通用伺服系统市场规模为 164.38 亿元，预计在 2025 年达到 295.38 亿元。

数据来源：MIR 睿工业

我国伺服系统市场主要分为日韩品牌、欧美品牌和国产品牌三大阵营，由于需要的技术水平较高，伺服系统市场一直为外资品牌主导。近年来，国内厂商通过引进、消化吸收国际先进技术等举措，不断加强伺服系统相关的技术研发和生产能力，国产伺服系统的产品质量和技术水平不断提升，并逐渐在国内市场中取得一定的份额，但与国际知名企业相比，其在整体性能、可靠性上仍存在一定差距。根据 MIR 睿工业的数据，2020 年我国伺服市场中，日韩品牌占据约 51%的市场份额，国产品牌占据约 30%份额，欧美品牌占据约 19%份额;其中，安川、三菱和松下分别以 11.3%、10.5%、9.9%的市场份额位列前三。

随着信息、通讯与自动化技术的发展，种类繁多的自动控制装置逐渐进进了人们的日常生活。网络通讯技术不仅为人们提供了方便的通讯手段，实际上也为各式各样的电子裝置提供了简易可靠的通讯渠道，借助于新式的网络通讯技术与计算功能强大的数字信号处理器芯片(DSP)，可以开展出多种具有基本智能的信息家电设备(smart information appliance)，例如可以帮助清洁工作的机器人、可供娱乐的电子机械宠物等等。这些结合机械、电子、通讯、控制、信息技术融合装置的核心部分就是具有网络界面的伺服系统控制器(network servo controller)。伺服技术已广泛的应用于我们的日常生活，例如光碟机光学读取头的伺服控制、远控飞机的机翼控制、数字相机的自动对焦控制、具有影像追踪功能的网络摄像监控系统、汽车自动驾驶等等，伺服系统涉及范围涵盖广泛，多学科交叉色彩浓厚。

伺服控制系统的应用

伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。

采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：

① 以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。

② 在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。

③ 使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

伺服系统的发展和应用常识

伺服系统的发展

伺服系统在机电设备中具有重要的地位，下面简单谈谈其发展历程：

(1) 直流伺服系统

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。

(2)交流伺服系统

从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。

系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。

(3)交直流伺服系统的比较

直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化(FA)等各个领域得到了广泛的应用。

从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。机电一体化技术是随着科学技术不断发展，生产工艺不断提出新要求而迅速发展的。在控制方法上主要是从手动到自动;在控制功能上，是从简单到复杂;在操作上，是由笨重到轻巧。随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新途径。

传统机床电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，实现对机床的启动、停车、有极调速等控制。继电器接触式控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰强、价格低，因此广泛应用于各类机床和机械设备。目前，在我国继电器接触式控制仍然是机床和其他机械设备最基本的电气控制形式之一。

在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置，叫做顺序控制器。它能根据生产需要改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单，价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制的。但它的装置体积大，功能也受到一定限制。随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，上述控制技术也发生了根本性的变化，在上世纪70年代出现了将计算机的存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器——可编程序控制器(PLC)，它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。

为解决占机械总加工量80%左右的单件和小批量生产的自动化难题，50年代出现了数控机床。它综合应用了电子、计算机、检测、自动控制和机床结构设计等各个技术领域的最新技术成就，它是典型的机电一体化产品。数控机床经过40年来的发展，品种日益增多，性能不断完善，其中以轮廓控制的数控机床和带有自动换刀装置和工作台能自动转位的数控加工中心发展更为迅速。数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。

二. 伺服系统在数控加工中的作用及组成

在自动控制系统中，把输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。

伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件伺服电机)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。

数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。