导读：在自动化系统中，“伺服系统”常被看作“高端驱动方案”，但它到底比变频器、步进电机强在哪里？为什么说伺服是“闭环系统”？这一讲我们从原理、结构、性能和应用四个方面，讲清楚伺服控制的核心逻辑——速度、位置、转矩的精准闭环控制。

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一、什么是“伺服”系统？

伺服（Servo）一词源于拉丁语 “Servus”，意为“仆人”，在控制工程中指能够“精确跟随命令”的系统。 简单来说，伺服系统由伺服驱动器（Servo Drive）和伺服电机（Servo Motor）组成，通过闭环反馈控制，让执行轴准确地完成速度、位置、转矩三种命令。

伺服系统的目标：精准、快速、稳定地响应控制信号。

基本组成：

• ① 控制器（PLC / CNC / 控制卡）：发出位置或速度命令。
• ② 伺服驱动器（Servo Drive）：接收命令信号，控制电机的电流与转速。
• ③ 伺服电机（Servo Motor）：执行旋转或直线运动。
• ④ 编码器（Encoder）：实时检测电机转角、转速，反馈给驱动器。
• ⑤ 制动器（Brake）（选配）：断电保持位置。

这套“命令→执行→检测→修正”的闭环控制链路，是伺服与普通电机最大的区别。

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二、伺服 vs 变频 vs 步进：三者的定位与差异

对比项目	伺服电机	变频电机	步进电机
控制方式	闭环（位置、速度、转矩全闭环）	开环（或弱闭环，速度/转矩为主）	开环（部分闭环步进有反馈）
响应速度	毫秒级响应（1–2 ms）	中等（几十毫秒）	较快，但易震荡
控制精度	高（0.001°～0.01°）	一般（调速精度约 0.1%）	高（按步距），但易失步
低速稳定性	平稳无抖动	易震动或啸叫	低速振动明显
力矩特性	恒转矩（额定范围内）	恒转矩 / 变转矩可调	低速力矩大，高速力矩急降
是否丢步	不会（闭环纠正）	理论不会，但响应慢	容易（开环无反馈）
典型应用	机器人、数控机床、定位平台	风机、水泵、输送带	打印机、雕刻机、小型定位

一句话总结： 步进“能定位”，但不反馈；变频“能调速”，但不精确；伺服“能控制”，且闭环无丢步。

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三、闭环控制的意义

伺服的“闭环”本质是：让系统自动比较“命令值”与“反馈值”，根据误差实时调节。

3.1 闭环结构示意

控制器 → 驱动器 → 电机 → 编码器 → 反馈信号 → 驱动器修正输出

其中：

• 位置环：比较目标位置与反馈位置 → 输出速度指令。
• 速度环：比较目标速度与反馈速度 → 输出电流指令。
• 电流环（转矩环）：控制实际电流，直接决定电机力矩。

驱动器内部依次嵌套：电流环 > 速度环 > 位置环，层层闭环，这称为三环控制结构。

3.2 优势

• 能自动消除负载变化、摩擦、机械间隙带来的误差；
• 即使瞬时被扰动，也能迅速回到目标位置；
• 具备速度保持、力矩控制与精确定位三种模式。

这就是伺服系统被广泛用于机械臂、点胶机、CNC、运动控制平台的根本原因。

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四、转矩—转速特性曲线

理解伺服与变频、步进的差异，最直观的方法是看“转矩—转速”曲线：

• 步进电机：低速区转矩大，高速迅速衰减，3 倍速时几乎无力。
• 变频电机：50 Hz 前恒转矩，50 Hz 以上恒功率；但响应慢。
• 伺服电机：宽恒转矩区（0 – 3000 rpm）+ 恒功率区（3000 – 6000 rpm）。

这意味着伺服在低速、高速区都能保持良好驱动力和动态响应，是“力矩线性化最优”的方案。

（在网站可配转矩-转速曲线图，例如松下 MSMD、安川 SGM 系列）

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五、典型伺服系统构成

5.1 主要组成

1. 伺服电机（Servo Motor） — 通常为永磁同步电机（PMSM），具高响应、低惯量特性。
2. 伺服驱动器（Servo Drive） — 负责调制电流、电压波形，执行三环控制与保护逻辑。
3. 编码器（Encoder） — 检测位置、速度。分为增量式（A/B/Z）与绝对式（多圈 / 单圈 编码）。
4. 制动器（Brake） — 断电保持；用于竖直轴、防止掉落。
5. 通信接口 — EtherCAT、MECHATROLINK、PROFINET、CANopen、Modbus 等。

5.2 工作流程

1. 控制器发出速度或位置命令（Pulse / 模拟量 / 通信）。
2. 驱动器接收命令 → 通过电流控制调整电机磁场与电流矢量。
3. 电机旋转 → 编码器反馈位置信号 → 驱动器计算偏差并修正。
4. 系统保持在误差极小（0.001°）的闭环状态。

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六、伺服系统的三种控制模式

控制模式	控制对象	典型应用
位置控制（Position）	精确位置、角度、距离	CNC、机械臂、点胶机
速度控制（Velocity）	恒速驱动、平滑运动	卷绕机、输送带
转矩控制（Torque）	恒力矩输出	张力控制、压装系统

多数驱动器可通过参数设置或上位机指令在线切换模式，以适应复合工况（例如“位置+转矩限制”）。

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七、伺服系统的优缺点

• 优点：高精度定位、响应快、转矩稳定、低噪音、效率高。
• 缺点：成本高、调试复杂、对电磁干扰敏感。

选型思路：

• 高速高精度定位 → 伺服。
• 恒速驱动 → 变频。
• 低成本间歇定位 → 步进。

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八、小结

1. 伺服系统通过编码器闭环反馈，实现“位置—速度—转矩”的三环精准控制。
2. 相较变频器（调速）和步进电机（开环定位），伺服在响应速度、稳定性和抗扰性上全面领先。
3. 伺服系统 = 电机 + 驱动器 + 编码器（+制动器），是现代运动控制的核心单元。

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下一讲预告

在《伺服基础课 第 2 讲》中，我们将深入讲解：

• 伺服电机的结构与原理（定子、转子、磁场）
• 编码器分辨率与控制精度
• 伺服驱动器的三环调节参数（P、I、D）
• 如何判断伺服系统“调得好不好”

这一系列将帮助你系统掌握伺服从“能转”到“转得稳”的完整逻辑。

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