隨著信息、通訊與自動化技術的發展，種類繁多的自動控制裝置逐漸進入了人們的日常生活。網絡通訊技術不僅為人們提供了方便的通訊手段，實際上也為各式各樣的電子裝置提供了簡易可靠的通訊渠道，借助于新式的網絡通訊技術與計算功能強大的數字信號處理器芯片（DSP），可以開展出多種具有基本智能的信息家電設備（smart information appliance），例如可以幫助清潔工作的機器人、可供娛樂的電子機械寵物等等。這些結合機械、電子、通訊、控制、信息技術融合裝置的核心部分就是具有網絡界面的伺服系統控制器（network servo controller）。伺服技術已廣泛的應用于我們的日常生活，例如光碟機光學讀取頭的伺服控制、遙控飛機的機翼控制、數字相機的自動對焦控制、具有影像追蹤功能的網絡攝像監控系統、汽車自動駕駛等等，伺服系統涉及范圍涵蓋廣泛，多學科交叉色彩濃厚。 　　 伺服系統—－機電一體化關鍵技術 　　 “伺服機構系統”源自servomechanism system，系指經由閉環控制方式達到一個機械系統位置、速度、或加速度控制的系統。一個伺服系統的構成通常包含被控對象（plant）、驅動器（actuator）、控制器（controller）等幾個部分，被控對象系指被控制的物體，例如一個機械手臂，或是一個機械工作平臺。驅動器的功能在于主要提供被控對象的動力，可能以氣壓、液壓、或是電力驅動的方式呈現，若是采用液壓驅動方式，一般稱之為液壓伺服系統。目前絕大多數伺服系統采用電力驅動方式，驅動器包含了電機與功率放大器，特別設計應用于伺服系統的電機蒙古自治區稱之為伺服電機（servo motor），通常內部含有位置反饋裝置，如光電編碼器（optical encoder）或是旋轉變壓器（resolver），目前主要應用于工業界的伺服電機包括直流伺服電機、永磁交流伺服電機和感應交流伺服電機，其中又以永磁交流伺服電機占絕大多數?？刂破鞯墓δ茉谟谔峁┱麄€伺服系統的閉環控制，如轉矩控制、速度控制和位置控制等。目前一般工業用伺服驅動器（servo drive）通常包含了控制器和功率放大器。 　　 一個傳統伺服機構系統的組成如圖1所示，伺服驅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轉矩控制器，電機通常提供模擬式的速度反饋信號，控制界面采用±10V的模擬信號，經由外回路的模擬命令，可直接控制電機的轉速或轉矩。采用這種伺服驅動器，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所示是一個現代的伺服機構系統結構圖，其中的伺服驅動器包含了伺服控制器與功率放大器，伺服電機提供高分辨率的光電編碼器反饋信號。 多軸運動控制系統 　　 精密伺服系統多應用于多軸運動控制系統，如工業機器人、數控機床、電子零件組裝系統、PCB自動插件機等等。圖3所示是一個運動控制平臺的方塊圖，工作對象的位置控制可通過平臺的移動來實現，平臺位置的檢測有兩種方式，一種是由伺服電機本身所安裝的光電編碼器，由于是以間接的方式反饋工作對象的位置，再通過閉環控制達到位置控制的目的，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傳感組件安裝在平臺上，如光學尺、激光位置檢測計等等，直接反饋工作對象的位置，再通過閉環控制達到位置控制的目的，稱之為直接位置控制（direct position control）。 一個多軸運動控制系統由高階的運動控制器（motion controller）與低階的伺服驅動器（servo driver）所組成，運動控制器負責運動控制命令譯碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等，其主要關鍵在于降低整體系統運動控制的路徑誤差;伺服驅動器負責伺服電機的位置控制，主要關鍵在于降低伺服軸的追隨誤差。圖4所示是一個雙軸運動控制系統的簡化控制方塊圖，在一般的情況下X-軸與Y-軸的動態響應特性會有相當大的差異，在高速輪廓控制時（contouring control）會造成顯著的誤差，因此必須設計一個運動控制器以整體考慮的觀點來解決這個問題。 網絡分布式伺服系統 　　 隨著網絡通訊技術的進步，采用實時網絡通訊技術的伺服系統也隨之發展，圖5所示是利用SERCOS實時通訊網絡技術（real-time network communication）所發展的網絡控制分布式伺服系統，目前已有多種采用不同通訊協議的分布式運動控制系統，如SERCOS、Real-Time Ethernet、Real-Time CAN bus。應用高速網絡技術于分布式伺服系統有許多優點，諸如更靈活的系統應用、更佳的系統整合控制效果等等。 基于以太網的運動控制聯網技術 　　 2003年初，當第三代SERCOS和PROFInet工作組為今后的運動控制聯網技術提出解決方案時，他們建議采用以太網作為伺服驅動聯網的基礎，促使伺服驅動系統的性能明顯地提升。這兩個工作組都聲稱，對于高性能運動控制應用來說，標準的以太網技術可作為下一代版本的物理層——以及作為高性能運動控制應用的兼容協議。 　　 在2003年漢諾威博覽會上，PROFIBUS國際組織（http://www.profibus.com/）宣布，該組織在PROFInet 3.0 IRT版本基礎上，開始為高動態運動控制應用開發一個高性能的實時解決方案，這個解決方案采用標準的以太網媒介，可兼容的協議以及能嵌入交換機和協議的ASIC（專用集成電路），從而保證實時性和確定性。 　　 同樣在2003年漢諾威博覽會上, SERCOS宣布，已開始開發下一代SERCOS（NGS）協議，以進一步改善SERCOS接口標準，該協議將引入工業以太網技術。 　　 以太網應用于運動控制領域 　　 以太網在運動控制領域應用的最大優點是硬件、電纜投資成本低，以及作為事實上的標準，而在培訓、靈活性、被人熟悉程度等方面所擁有的好處。以太網在商務領域是標準網絡，在幾乎每家公司的所有PC上廣泛應用。在制造業領域，以太網的應用也在增長，許多公司已經建立了維護與支持的基礎設施以有效地配置與管理這些網絡。 　　 以太網在運動控制領域應用的最大障礙是其如何克服在實時性能上天生的缺陷，保障確定性所需的額外硬件成本，星型網絡拓撲的局限性及特定的實施是否能提供互操作性的問題。FireWire（IEEE-1394）作為運動控制聯網協議的基礎，其擁護者已經設立IEEE-1394標準，內建確定性的FireWire標準芯片集支持實時應用。 　　 第三代SERCOS 　　 新的SERCOS標準由包含SERCOS組織各會員公司成員的不同的工作組開發。在2003年德國SPS/IPC/DRIVES展上，其開發計劃向業界公布，隨后SERCOS組織還將致力于芯片級的技術開發。SERCOS的會員公司經過細致的市場調查，認為融合以太網和SERCOS的定時機制將導致一種魯棒強、耐用和成本低有吸引力的運動控制聯網技術。第三代SERCOS是采用以太網技術標準來擴展現有的SERCOS標準。所有節點（控制器、驅動器和I/O）不是連接到傳統的環形拓撲結構上，就是連接到總線拓撲結構上。一個專用的、無沖突的實時通道用于硬實時通信，另一個附加的IP通道可以和實時通道并行地配置。這兩種通道都采用標準的以太網框架，一個專用的控制器芯片負責實時通道通信量和IP通道通信量之間的切換，并保證所有連接節點的硬同步。第三代技術保持所有已被證明有效的SERCOS機制，例如行之有效的協議，硬件同步以及獨特的運動控制協議行規，主要的增強功能是用于傳輸異步數據的附加IP通道（維護、診斷等信息）以及網絡節點之間直接通信（交叉通信）的可能性。一個附加的改進是定義冗余機制，當采用環形拓撲結構時，可實現這個機制。例如，一根電纜斷開時，這種冗余機制為通信提供可選擇的路徑，從而“無擾動”地恢復通信功能。 　　 SERCOS的性能 　　 使用高效的SERCOS協議并結合高帶寬的快速以太網，SERCOS工作組聲稱，運動控制網絡的性能將是引人注目的，預期的性能是在一個單獨的網絡上最多可支持150個驅動器，其更新的速率為500μs（取決于每個驅動器的數據量和配置的IP通道的規模）。性能的提高有助于實現信號集中處理的多軸驅動方案（16個驅動器，其更新的速率為62.5μs）。SERCOS組織還聲稱，第三代SERCOS將是一個成本很低，但效率相當高的新技術，所需要只是一個專用集成電路芯片，以太網連接器以及布線。不需要任何附加的以太網部件如網橋、路由器或交換機（這些會顯著地增加成本）就能實現硬實時性能，所有這些使第三代SERCOS即使對“低成本設備”亦是頗具吸引力的。SERCOS將繼續支持光纖接線，可以使控制驅動器運行的對干擾敏感的控制器不受電機產生的電磁干擾的影響。對運動控制而言，下一代SERCOS網絡將采用CAT5級別的電纜作為物理媒介，網絡的其余部分是混合的以太網技術，但是有一定數量的SERCOS環形拓撲結構以及位于該以太網媒介頂部的其他配置屬性。新的SERCOS體系結構將提供不同的模型，而不是只通過帶寬來解決問題，利用時間服務的優點可以在一個時間同步化的網絡上，實際上獲得比在-超高速網絡上能得到的更佳的性能和高可靠性。 　　 伺服系統協同整合技術 　　 伺服系統具有協同技術（synergy technology）的本質。伺服系統設計必須整合多項關鍵技術，如自動控制、運動控制、數字控制、電機控制、電力電子、微處理器軟硬件設計等等，伺服系統設計工程師必須針對系統的應用需求，整合多項不同的技術，而這一系統整合的特質，會隨著微電子技術的進展，更明顯的以“實時多任務柔性控制技術”的方式呈現。伺服系統的整合過程如圖6所示。 伺服系統分層控制結構 　　 伺服系統一般包括多個控制環路，如電流環，速度環，位置環等。這些環路的動態相應（頻帶寬度）不同，環路的作用也不同。因此，可以根據這些特點，將不同的環路在軟硬件設計上進行分層處理，按照系統工程的思想，選擇合理的硬件結構和相應的控制策略，使整個系統達到較高的性能/價格比。伺服系統的分層式控制結構如圖7所示，伺服系統的閉環多回路控制結構如圖8所示，現代伺服系統的分層式控制接口示意圖如圖9所示。 [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 伺服機構理論（servomechansim theory）起源于二次世界大戰期間，美國國防部為了發展具有自動控制功能的雷達追蹤系統，委托麻省理工學院發展機械系統的閉環控制技術，這一發展奠定了后來伺服機構理論的基礎。微處理器的發展，不僅帶動了信息產業的發展，也間接帶動了伺服驅動技術的發展。通用型伺服驅動器的系統結構與典型閉環控制系統的方塊圖分別如圖10 、11 所示。 [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 多回路控制結構 　　 實際的伺服系統通常采用閉環多回路控制結構，如圖12～15所示。此種控制結構，具有先天的解耦控制效果，可以分層負責完成一個伺服系統中所需要的位置、速度、加速度控制。 [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 數字伺服控制技術的發展 　　 隨著高性能微處理器、數字信號處理器的發展，數字伺服控制技術已成為工業伺服系統的主流。數字電機控制技術的演變過程如圖16 所示。 DSP數字伺服控制技術的發展 　　 DSP可視為一個具有強大計算能力的微處理器，凡是微處理器可以應用的場合，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，單芯片微控器（microcontroller）已廣泛應用于工業控制領域，其關鍵主要在于完整的I/O界面，而一般的DSP并不具備這些功能。但近年來，已發展出特別針對伺服電機控制的單芯片DSP控制器，例如德州儀器的TMS320F24xx、TMS320F2812等等，不僅計算性能強大、具備電機控制所需要的I/O界面，同時價格也相當便宜，因此直接帶動了以DSP為核心的DSP數字電機控制技術的發展。以DSP為核心的伺服系統解決方案如圖17所示。 在工業控制的應用領域，如機器人控制、磁盤驅動器與光驅的控制、伺服控制等，采用DSP來實現數字控制器的主要著眼點在于其快速的計算能力。由于DSP的快速計算能力，可以實現具有適應能力的伺服系統，采用DSP來實現需要復雜計算的數字控制系統，以達到高性能控制系統的需求將成為未來的發展趨勢。 　　 關鍵技術包括: 　　 ·以單芯片DSP為核心的數字伺服控制技術; 　　 ·實時網絡通訊技術應用于數字運動控制系統; 　　 ·適應型伺服控制技術; 　　 ·可程序數字式伺服控制IC的發展 。 　　 計算機輔助伺服系統設計 　　 由于伺服系統設計包含多項不同技術的整合，因此也使得其設計過程顯得更為復雜。如何利用計算機輔助設計與實時在線控制仿真成為現代伺服系統設計的重要方法。伺服電機驅動系統的計算機輔助設計方案如圖18所示。 　　 關鍵技術包括: 　　 ·DSP結合MATLAB/SIMULINK的系統化設計方法與實現技術; 　　 ·實時在線控制模擬; 　　 ·計算機輔助伺服系統設計工具的開發。 　　 伺服系統設計的一些實際問題 　　 一個現代伺服系統的設計包含了機械設計、電機控制、電力電子、伺服控制、運動控制、程序設計、網絡通訊協議、噪聲抑制、實際應用等技術與經驗，其核心技術在于整合微電子與電力電子技術實現伺服控制技術。 　　 一些重要的實際設計考慮應包括如下幾個方面: 　　 ·高分辨率光電編碼器的接口電路設計; 　　 ·如何從增量反饋信號計算轉速; 　　 ·伺服系統的頻寬要求; 　　 ·功率放大器電壓輸出與電流輸出對伺服系統頻寬所造成的限制; 　　 ·數字伺服系統采用定點或是浮點運算; 　　 ·控制回路取樣頻率的選擇; 　　 ·電流反饋信號的取樣方式與ADC轉換器的分辨率要求。 　　 結語 　　 任何會動的東西都需要控制，電力驅動仍將是未來主要的驅動方式，隨著微機電、電力電子、網絡通訊技術的發展，各種形式的微型電機將可以通過有線的、無線的、電力線的網絡通訊技術予以連接，伺服技術將進一步結合微電子與電力電子技術以柔性控制的方式呈現，伺服技術的發展也將朝向單芯片控制、智能控制、網絡聯機的方向發展，未來智能型電子寵物、家庭機器人的市場需求，將進一步促進伺服技術的發展，具有網絡接口智能型伺服控制芯片是一個值得投入研發的領域。