前 言
伺服技術(shù)路通訊技術(shù)不單是對人們提供了方便的通訊管道，事實(shí)上也替各式各樣的電子裝置提供了簡易可靠的通訊管道，藉由新式的網(wǎng)路通訊技術(shù)與計算功能強(qiáng)大數(shù)位信號處理晶片(DSP)，可以發(fā)展出各種影具有基本智慧的資訊家電設(shè)備(smart information appliance)，例如可以幫忙清潔工作的機(jī)器人、可供娛樂的電子機(jī)械寵物等等。這些結(jié)合機(jī)械、電子、通訊、控制、資訊技術(shù)整合裝置的核心部分就是具有網(wǎng)路介面的伺服系統(tǒng)控制器(network servo controller)。伺服技術(shù)已廣泛的應(yīng)用於我們的日常生活，例如光碟機(jī)光學(xué)讀取頭的伺服控制、遙控飛機(jī)的機(jī)翼控制、數(shù)位相機(jī)的自動對焦控制、具有影像追蹤功能的網(wǎng)路攝影監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動巡弋駕駛等等。伺服系統(tǒng)設(shè)計範(fàn)圍涵蓋廣泛，
摘 要
本文對伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程作一個系統(tǒng)化的介紹，同時也介紹一些伺服系統(tǒng)的基本觀念、伺服系統(tǒng)設(shè)計方法、以及一些設(shè)計伺服系統(tǒng)時所必須考慮的實(shí)務(wù)問題，延伸閱讀可參考所列的參考文獻(xiàn)。
1. 簡介
伺服系統(tǒng) — 機(jī)電系統(tǒng)整合的關(guān)鍵技術(shù)
『伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)』源自servomechanism system，係指經(jīng)由閉迴路控制方式達(dá)到一個機(jī)械系統(tǒng)位置、速度、或加速度控制的系統(tǒng)。一個伺服系統(tǒng)的構(gòu)成通常包含受控體(plant)、致動器(actuator)、控制器(controller)等幾個部分，受控體係指被控制的物件，例如一格機(jī)械手臂，或是一個機(jī)械工作平臺。致動器的功能在於主要提供受控體的動力，可能以氣壓、油壓、或是電力驅(qū)動的方式呈現(xiàn)，若是採用油壓驅(qū)動方式，一般稱之為油壓伺服系統(tǒng)。目前絕大多數(shù)的伺服系統(tǒng)採用電力驅(qū)動方式，致動器包含了馬達(dá)與功率放大器，特別設(shè)計應(yīng)用於伺服系統(tǒng)的馬達(dá)稱之為伺服馬達(dá)(servo motor)，通常內(nèi)含位置回授裝置，如光電編碼器(optical encoder)或是解角器(resolver)，目前主要應(yīng)用於工業(yè)界的伺服馬達(dá)包括直流伺服馬達(dá)、永磁交流伺服馬達(dá)、與感應(yīng)交流伺服馬達(dá)，其中又以永磁交流伺服馬達(dá)佔(zhàn)絕大多數(shù)?？刂破鞯墓δ茉陟短峁┱麄€伺服系統(tǒng)的閉路控制，如扭矩控制、速度控制、與位置控制等。目前一般工業(yè)用伺服驅(qū)動器(servo drive)通常包含了控制器與功率放大器。
一個傳統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成如圖1所示，伺服驅(qū)動器主要包含功率放大器與伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器與扭矩控制器，馬達(dá)通常提供類比式的速度回授信號，控制界面採用±10V的類比訊號，經(jīng)由外迴路的類比命令，可直接控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速或扭矩。採用這種伺服驅(qū)動器，通常必須再加上一個位置控制器(position controller)，才能完成位置控制。圖2所示是一個現(xiàn)代的伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)圖，其中的伺服驅(qū)動器包含了伺服控制器與功率放大器，伺服馬達(dá)提供解析度的光電編碼器回授信號。
圖1. 一個傳統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成
圖2. 現(xiàn)代伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成
多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)
精密伺服系統(tǒng)多應(yīng)用於多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)，如工業(yè)機(jī)器人、工具機(jī)、電子零件組裝系統(tǒng)、PCB自動差建機(jī)等等。圖3所示是一個運(yùn)動控制平臺的方塊圖，工作物件的位置控制可藉由平臺的移動來達(dá)成，平臺位置的偵測有兩種方式，一種是藉由伺服馬達(dá)本身所安裝的光電編碼器，由於是以間接的方式回授工作物件的位置，再藉由閉迴路控制達(dá)到位置控制的目的，因此也稱之為間接位置控制(indirect position control)。另一種方式是直接將位置感測元件安裝在平臺上，如光學(xué)尺、雷射位置感測計等等，直接回授工作物件的位置，再藉由閉迴路控制達(dá)到位置控制的目的，稱之為直接位置控制(direct position control)。
一個多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)由高階的運(yùn)動控制器(motion controller)與低階的伺服驅(qū)動器(servo drive)所組成，運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)運(yùn)動控制命令解碼、各個位置控制軸彼此間的相對運(yùn)動、加減速輪廓控制等等，其主要關(guān)鍵在於降低整體系統(tǒng)運(yùn)動控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動器負(fù)責(zé)伺服馬達(dá)的位置控制，主要關(guān)鍵在於降低伺服軸的追隨誤差。圖5所示是一個雙軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖，在一般的情況下x-軸與y-軸的動態(tài)響應(yīng)特性會有相當(dāng)大的差異，在高速輪廓控制時(contouring control)，會造成顯著的誤差，因此必須設(shè)計一個運(yùn)動控制器以整體考量的觀點(diǎn)解決此一問題。
圖3. 雙軸運(yùn)動控制系統(tǒng)
圖4. 雙軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖
網(wǎng)路分散式伺服系統(tǒng)
隨著網(wǎng)路通訊技術(shù)的進(jìn)步，採用即時網(wǎng)路通訊技術(shù)的伺服系統(tǒng)也隨之發(fā)展，圖5所示是利用SERCOS即時通訊網(wǎng)路技術(shù)(real-time network communication)所發(fā)展的網(wǎng)路控制分散式伺服系統(tǒng)，目前已有多種採用不通訊協(xié)定的分散式運(yùn)動控制系統(tǒng)，如SERCOS、Real-Time Ethernet、Real-Time CAN bus。應(yīng)用高速網(wǎng)路技術(shù)於分散式伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如更靈活的系統(tǒng)應(yīng)用、更佳的系統(tǒng)整合控制效果等等。
圖5. 網(wǎng)路控制分散式伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)綜效整合技術(shù)的本質(zhì)
伺服系統(tǒng)具有綜效技術(shù)(synergy technology)的本質(zhì)。伺服系統(tǒng)設(shè)計必須整合多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如自動控制、運(yùn)動控制、數(shù)位控制、馬達(dá)控制、電力電子、微處理器軟硬體設(shè)計等等，伺服系統(tǒng)設(shè)計工程師必須針對系統(tǒng)的應(yīng)用需求，整合多項(xiàng)不同的技術(shù)，而此一系統(tǒng)整合的特質(zhì)，會隨著微電子技術(shù)的進(jìn)展，更明顯的以『即時多工韌體控制技術(shù)』的方式呈現(xiàn)。
圖6. 伺服系統(tǒng)的整合
伺服系統(tǒng)的階層式控制架構(gòu)
伺服系統(tǒng)具有綜效技術(shù)(synergy technology)的本質(zhì)。伺服系統(tǒng)設(shè)計必須整合多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如自動控制、運(yùn)動控制、數(shù)位控制、馬達(dá)控制、電力電子、微處理器軟硬體設(shè)計等等，伺服系統(tǒng)設(shè)計工程師必須針對系統(tǒng)的應(yīng)用需求，整合多項(xiàng)不同的技術(shù)，而此一系統(tǒng)整合的特質(zhì)，會隨著微電子技術(shù)的進(jìn)展，更明顯的以『即時多工韌體控制技術(shù)』的方式呈現(xiàn)。
圖7. 伺服系統(tǒng)的階層式控制架構(gòu)
圖8. 伺服系統(tǒng)的環(huán)狀多迴路控制架構(gòu)
圖9. 現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的階層式控制介面
圖10. 直流伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)方塊圖
圖11. 交流伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)架構(gòu)圖
圖12. 泛用型伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)架構(gòu)圖
2. 伺服控制技術(shù)的發(fā)展
伺服機(jī)構(gòu)理論(servomechansim theory)緣起於於二次世界大戰(zhàn)期間，美國國防部為了發(fā)展具有自動控制功能的雷達(dá)追蹤系統(tǒng)，委託麻省理工學(xué)院發(fā)展機(jī)械系統(tǒng)的閉迴路控制技術(shù)，此一發(fā)展奠定了後來伺服機(jī)構(gòu)理論的基礎(chǔ)。微處理器的發(fā)展，不僅帶動了資訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也間接帶動了伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展。
圖13. 一個典型閉迴路控制系統(tǒng)的方塊圖
環(huán)狀多回路控制架構(gòu)
一個實(shí)際的伺服系統(tǒng)通常採用環(huán)狀多迴路控制架構(gòu)，如圖14所示。此種控制架構(gòu)，具有先天的解耦控制效果，可以分層負(fù)責(zé)的完成一個伺服系統(tǒng)中所需要的位置、速度、加速度控制。
圖14. 伺服系統(tǒng)的環(huán)狀多回路控制架構(gòu)
圖15. 一個典型的多迴路直流伺服系統(tǒng)控制方塊圖
圖16. 實(shí)用的工業(yè)數(shù)位伺服控制法則
圖17. 伺服馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)的自調(diào)控制架構(gòu)
數(shù)位伺服控制技術(shù)的發(fā)展
隨著高性能微處理器、數(shù)位信號處理器的發(fā)展，數(shù)位伺服控制技術(shù)已成為工業(yè)伺服系統(tǒng)的主流。
圖18. 數(shù)位馬達(dá)控制技術(shù)的演進(jìn)
DSP數(shù)位伺服控制技術(shù)的發(fā)展
DSP可視為一個具有強(qiáng)大計算能力的微處理器，舉凡微處理器可以應(yīng)用的場合，如需要更快速的計算能力，則可考慮使用DSP。但值得注意的是，單晶片微控器(microcontroller)已廣泛應(yīng)用於工業(yè)控制領(lǐng)域，其關(guān)鍵主要在於完整的I/O界面，而一般的DSP並不具備這些功能。但近年來，已發(fā)展出特別針對伺服馬達(dá)控制的單晶片DSP控制器，例如德州儀器的TMS320F24xx、TMS320F2812等等，不僅計算性能強(qiáng)大、具備馬達(dá)控制所需要的I/O界面，同時價格也相當(dāng)便宜，因此直接帶動了以DSP為核心的DSP數(shù)位馬達(dá)控制技術(shù)的發(fā)展。
圖19. 以DSP為核心的伺服系統(tǒng)解決方案
圖20. DSP數(shù)位伺服驅(qū)動器的硬體電路圖 (TI Application Note)
在工業(yè)控制的應(yīng)用領(lǐng)域，如機(jī)器人控制、磁碟機(jī)與光碟機(jī)的控制、伺服控制等，採用DSP來實(shí)現(xiàn)數(shù)位控制器的主要著眼點(diǎn)即在於其快速的計算能力。由於DSP的快速計算能力，得以實(shí)現(xiàn)具有適應(yīng)能力的伺服系統(tǒng)，採用DSP來實(shí)現(xiàn)需要複雜計算的數(shù)位控制系統(tǒng)，以達(dá)到高性能控制系統(tǒng)的需求即為未來發(fā)展的趨勢。
重要的關(guān)鍵研究議題包括：
以單晶片DSP為核心的數(shù)位伺服控制技術(shù)
即時網(wǎng)路通訊技術(shù)應(yīng)用於數(shù)位運(yùn)動控制系統(tǒng)
適應(yīng)型伺服控制技術(shù)
可程式數(shù)位式伺服控制IC的發(fā)展
3. 電腦輔助伺服系統(tǒng)設(shè)計
由於伺服系統(tǒng)設(shè)計包含多項(xiàng)不同技術(shù)的整合，因此也使得其設(shè)計過程顯得更為複雜。如何利用電腦輔助設(shè)計與即時線上控制模擬成為現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計重要的方法。
圖21. 伺服馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)的整合設(shè)計方案
重要的關(guān)鍵研究議題包括：
DSP結(jié)合MATLAV/SIMULINK的系統(tǒng)化設(shè)計方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)
即時線上控制模擬
電腦輔助伺服系統(tǒng)設(shè)計工具的發(fā)展
4. 伺服系統(tǒng)設(shè)計的一些實(shí)務(wù)問題
一個現(xiàn)代的伺服系統(tǒng)的設(shè)計包含了機(jī)械設(shè)計、馬達(dá)控制、電力電子、伺服控制、運(yùn)動控制、程式設(shè)計、網(wǎng)路通訊協(xié)定、雜訊防制、實(shí)務(wù)應(yīng)用等技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，其核心技術(shù)在於整合微電子與電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)伺服控制技術(shù)，一些重要的實(shí)務(wù)設(shè)計考量包括：
高解析度光電編碼器的介面電路設(shè)計
如何從增量回授信號計算轉(zhuǎn)速？
伺服系統(tǒng)的頻寬要求
功率放大器電壓輸出與電流輸出對伺服系統(tǒng)頻寬所造成的限制
數(shù)位伺服系統(tǒng)採用定點(diǎn)或是浮點(diǎn)運(yùn)算？
控制迴路取樣頻率的選擇？
電流回授信號的的取樣方式與ADC轉(zhuǎn)換器的解析度要求為何？
5. 結(jié) 語
任何會動的東西都需要控制，電力驅(qū)動仍將是未來主要的驅(qū)動方式，隨著微機(jī)電、電力電子、網(wǎng)路通訊技術(shù)的發(fā)展，各種形式的微小馬達(dá)將可以經(jīng)由有線的、無線的、電力線的網(wǎng)路通訊技術(shù)予以連接，伺服技術(shù)將進(jìn)一步結(jié)合微電子與電力電子技術(shù)以韌體控制的方式呈現(xiàn)，伺服技術(shù)的發(fā)展也將朝向單晶片控制、智慧控制、網(wǎng)路連線的方向發(fā)展，未來智慧型電子寵物、家庭機(jī)器人的市場需求，將進(jìn)一步促進(jìn)伺服技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)路介面智慧型伺服控制晶片是一個值得投入研發(fā)的領(lǐng)域。
伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成.gif)
代伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成.gif)
動控制系統(tǒng).gif)
動控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖.gif)
路控制分散式伺服系統(tǒng).gif)
