伺服系统在机器人热潮中的发展概况_2025版

当下科技热潮中，机器人技术独树一帜，成为热议的核心话题。机器人如何完成一系列复杂的操作？这背后的功臣非机器人的控制系统莫属，尤其是伺服系统，堪称机器人的“大脑”。

说起机器人的控制，可大致分为机械本体控制和伺服机构控制两类，而伺服控制系统则是实现这两种控制的关键所在。若想深入了解机器人的工作原理，我们必须揭开伺服系统的神秘面纱。

何为伺服系统？

伺服系统是基于变频技术演变而来的自动控制系统，主要对机械位置或角度进行控制。除了基本的速度与转矩控制，它还能实现精确、快速、稳定的位置控制。从广义的角度看，伺服系统是一个能够精确跟踪或复现特定过程的控制系统，也被称作随动系统。

从结构上看，伺服系统属于机电一体化的范畴，结构复杂多样。从自动控制理论的角度解析，伺服系统主要包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节和比较环节等五个部分。

深入探讨机器人的内部运作机制，我们会发现伺服系统是其核心组成部分，为机器人的精准操作提供了保障。接下来，我们一起来探讨一下伺服系统的构成原理。

伺服系统的“大脑”是比较环节，负责接收指令信号和系统反馈信号，产生偏差信号，反映输出与期望输入的差异。这需要专门的电路或计算机来完成计算任务。

控制器作为伺服系统的“指挥中心”，接收偏差信号，进行处理和变换，输出控制信号以驱动执行元件动作。控制器通常由计算机或PID控制电路构成。

执行环节是伺服系统中的“力量之源”，将各种形式的能量转化为机械能，驱动被控对象工作。在机电一体化系统中，表现为各种电机或液压、气动伺服机构等。

被控对象，是伺服系统的控制目标，如机械手臂或机械工作平台等。

检测环节是伺服系统中的“观察者”，负责测量系统输出并转换成比较环节所需的量纲，由传感器和转换电路完成。这一环节使伺服系统能实时了解自身运行状态，为调整和控制提供数据支持。

伺服系统的组成原理是一个不断比较、调整、执行和反馈的过程。各组成部分协同工作，实现对机械设备的精确、高效控制。

作为数控装置与机床之间的桥梁，伺服系统展现出卓越的精准控制能力与多种类型。与一般机床的进给系统相比，伺服系统能根据指令信号精确控制执行部件的运动速度与位置，展现出强大的运动控制力。

一、伺服系统的特点：

1. 配备高精度传感器，准确给出输出量的电信号，确保运动的精确性。

2. 功率放大器与控制系统可逆，确保运动灵活性与稳定性。

3. 广泛的调速范围与强大的低速带载性能，适应不同的运动需求。

4. 快速的响应能力与出色的抗干扰能力，确保复杂环境下的稳定运行。

二、伺服系统的类型多种多样：

1. 按控制原理分为开环、闭环和半闭环三种形式。

2. 按被控制量性质分为位移、速度、力和力矩等伺服系统形式。

3. 电气、液压和气压伺服驱动是主要的驱动方式。每种类型都有其独特的应用场景和技术特点，为不同的工程需求提供精准的控制解决方案。三、伺服系统的执行元件详解

伺服系统的执行元件是实现运动控制的关键部件，主要有电气式、液压式和气压式三种。

1. 电气式执行元件

电气式执行元件是伺服系统中应用最广泛的部件，包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。这些执行元件具有高效、精确、响应快等特点。

（1）步进电机伺服：步进电机是一种通过电脉冲信号驱动的运动控制元件，常用于需要精确位置控制的应用。

（2）直流电机伺服：直流电机具有较快的响应速度和较大的转矩，适用于需要精确速度控制的应用。

（3）交流电机伺服：交流电机伺服系统具有更高的效率和更好的稳定性，适用于高速、高精度应用。

2. 液压式执行元件

液压式执行元件如同液力之巨手，主要由往复运动油缸、回转油缸、液压马达等构成。在同样的输出力量下，液压元件展现出轻盈的身姿和迅捷的反应。在高负荷或连续工作下，液压系统可能产生热量问题。

3. 气压式执行元件

气压式执行元件使用压缩空气作为工作介质，可获得较大的驱动力、行程和速度。由于空气的粘性较差且具有可压缩性，气压式执行元件在定位精度要求较高的场合中难以施展身手。

电、气动与液压系统的特点比较：

气动系统：压力范围稳定，操作简便，环保，速度快。但功率小，难以实现小型化，动作可能不平稳，远距离传输有困难。

液压系统：输出功率大，动作平稳，可精准实现定位伺服控制。但设备难以小型化，液压源和液压油的质量要求较高，可能存在泄露问题。

常用的控制用电机及伺服驱动概述：

控制用电机作为电气伺服控制系统的核心部件，负责将电能转换为机械能。步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机是三大主要类型。这些电机在工业自动化、机器人等领域有着广泛的应用。通过控制电压、电流等参数，这些电机可以实现精确的运动控制。半闭环数控系统通过采样旋转角度进行检测位置信息，与开环系统相比具有更高的精度和稳定性。对于不同的应用场景和需求，可以选择适合的伺服驱动方式和系统配置以实现最佳的运动控制效果。随着科技的飞速发展，现代工业对精度和速度的要求不断提升，半闭环数控系统与全闭环数控系统在工业机器人中扮演着至关重要的角色。对于对精度和速度有一定要求的场合，半闭环系统因其稳定的控制性能、相对简单的结构和方便的调试而备受青睐。它在现代CNC机床中得到了广泛应用，尽管其稳定性不如开环系统，但在机械传动环节的误差控制方面表现出色。通过补偿措施，可以有效消除因丝杠螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差，从而获得满意的精度。

全闭环数控系统则更上一层楼，直接对运动部件的实际位置进行检测，从理论上讲，该系统几乎可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。这使得全闭环数控系统拥有极高的位置控制精度，尤其在精度要求极高的设备如镗铣床、超精车床、超精磨床以及大型数控机床等领域大放异彩。

谈及机器人的伺服系统，我们指的是应用于多轴运动控制的精密伺服系统。这一系统由高阶运动控制器与低阶伺服驱动器组成，确保了机器人的高精度运动。运动控制器负责接收并解析指令，进行相对运动控制和加减速轮廓规划，旨在降低整体系统运动控制的路径误差。伺服驱动器则负责伺服电机的位置控制，目标是降低伺服轴的追随误差。这三者的协同工作使得机器人在复杂环境中也能灵活、准确地执行任务。

为适应机器人的多样形态和严苛运行环境，伺服系统必须具备小巧、轻质的特性。伺服电机作为执行机构，不仅要响应迅速、具备高转矩惯量比，其控制特性也要连续且呈直线性。伺服驱动器利用各类电机产生的力矩和力驱动机器人本体获取各种运动，具备高转矩转动惯量比、无电刷及换向火花等优点。

指令机构是伺服系统的另一关键部分，它通过发出脉冲或速度信号保证系统的正常工作。随着伺服系统在更多领域的应用，其发展趋势体现在集成化、智能化、网络化和简易化等方面。集成化的伺服控制系统形成了高精度的全闭环调节系统，提高了系统的稳定性和可靠性。

智能化伺服系统展现出高度的交互性，通过人机对话方式方便设置所有运行参数，并具备故障自诊断与分析功能。带有自整定功能的伺服单元能够自动优化系统参数，实现最优化运行。网络化是伺服系统发展的必然趋势，它是控制技术、计算机技术和通信技术相互融合的杰出代表，已经成为提升生产效率、优化工业流程的关键环节。而简易化则根据用户的具体需求强化伺服功能，使之更加专业、精准，同时降低伺服系统成本。

国外先进的伺服系统已经能够满足绝大多数应用的需求，其研发重点已转向高端应用领域及整体性能的提升。在这个工业4.0的时代背景下，国产伺服系统仍然需要不断努力。但我们有理由相信，随着技术的不断进步和研发力度的加大，国产伺服系统必将迎头赶上，为工业发展注入更多活力，助力工业机器人实现更高精度和效率的任务执行。