為什么伺服更快

海內存知己

        伺服若比鄰

上回書說到，質子拜訪了程心，她們好似朋友...抱歉，走錯片場了。咱們繼續來說伺服。

 上次說到伺服更快，更準，更穩。能夠實現這三個特點的核心是快。更準是位更準確，或者速度跟隨更準確；更穩是指運行的過程波動更小。

控制理論

PID

伺服解決方案采用的是經典的PID（不了解的可以找介紹自動控制原理的書籍來補課）控制，是一個有差調節方法。也就是說控制的方法是通過檢測目標與實際輸出的差別來追蹤，實際比目標遠就加速快走，快到了，就減速，防止跑過了。所以在整個運行過程中要檢測實際輸出與目標的差別，好做出相應的調整。因此伺服系統會配置一個位置檢測的編碼器，這個編碼器除了檢測位置，再對時間進行微分，就是速度；再微分就是加速度了。而加速度與運動體的質量（或慣量）乘積就是伺服輸出的力或轉矩，如果這個不懂，牛頓勛爵要跑出來教你啦。

反饋系統

編碼器

要實現快，準，穩的目標。首先是快，那么就要加速度大，那么旋轉電機就得輸出扭矩大，且轉動慣量小。準呢？是通過編碼器檢測到偏差，快速糾正，所以呢，仍然要大的加速度，并且編碼器要分辨率高。zui后是穩，就是盡可能的減小運行過程的偏差，而且一發現偏差就要盡快去糾正，所以還要快，且編碼器分辨率要高。編碼器作為一個獨立部件，可以在配置時選擇高分辨率規格，那么剩下的就是要有大的加速度才能快，而達到準和穩。正所謂天下伺服，唯快不破。

剛才說了只要快，就能準且穩。快，就要力矩大，慣量小。所以普遍的伺服電機相較于變頻電機輸出力矩與自身慣量的比值大很多。上面還說了，為了準和穩，還要加個編碼器。所以伺服系統都會有編碼器，而變頻卻未必（很多變頻系統為了提高性能也增加編碼器）。這里還有一個潛在的問題，就是數字化。現在的伺服為了靈活性，都采用數字化，數字化就產生了一個不理想的采樣周期問題。假設我們的采樣周期特別長，一秒鐘采樣一次實際位置，做一次運算，那么，偏差必然很大，甚至震蕩。因此要求我們盡量縮短采樣周期和PID的運算周期。那么就對控制系統的CPU運算速度，存儲器的處理能力都要求更高。除了數字化的采樣，zui有技術難度的是電機控制算法。無論是伺服還是變頻器，控制算法都是技術核心，而伺服和變頻的控制算法的傾向不同，伺服算法更傾向于基于編碼器反饋的快速反應；而變頻算法更傾向于允許緩慢波動的平穩運行。

當伺服像白羊座一樣講究天下武功唯快不破時，變頻則像處女座一樣在力矩上磨磨唧唧要求*，還不停地問

速度環：“哥，你看我的力矩曲線畫得柔美不？光滑不？有層次感不？……

所以S120一個腦袋可以養活6個伺服，但只能養得起4個矢量，當然，像V/F這樣的粗曠大老爺們就一打12的管飯了。

因此，轉矩慣量比，運算周期，是否配置編碼器（或編碼器分辨率的高低）以及控制算法的不同，使伺服的響應更快，進而控制更精準，運行更平穩。

為了滿足定位控制，頻繁啟停，定位剛度等特性的需求，伺服的低速低頻的控制性能比變頻要求更高。

為了滿足低速大扭矩輸出的需求，風冷型伺服電機都要配置強冷風扇，以滿足低速時的發熱問題。

為了滿足復雜的工況，伺服脫胎于變頻器。為了現實伺服的良好性能，既要增加編碼器，獨立風扇，又要選高性能CPU，增加硬件或提升硬件性能；還要在軟件算法上進行追求快速響應。正可謂軟硬兼施。

西門子V90伺服系統集成代理商

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