伺服控制在机电一体化装备中的关键技术应用

机电一体化的发展正在重塑传统装备制造的技术基础，其中控制技术的进步成为推动产业升级的关键动力。伺服控制以其快速响应、精准定位和稳定输出的优势，在众多高端装备中发挥着不可替代的作用。它不仅提升了设备的工作效率，还显著改善了系统的动态性能与操作可靠性，是实现高端制造和自动化生产的技术核心。

一、伺服控制系统的技术基础与构成

（一）伺服控制系统的基本原理

伺服控制系统以闭环反馈为核心，通过比较目标指令与实际输出形成误差信号，经控制器调节后驱动执行机构，实现高精度控制 [1]。系统通常分为电流环、速度环和位置环，其中电流环控制电机转矩、速度环调节转速、位置环实现精准定位。现代高性能系统多采用双闭环或三闭环结构，结合前馈控制和自适应滤波技术，有效提升响应速度与抗干扰能力。以永磁同步电机（PMSM）为例，常采用矢量控制（FOC）方法解耦电流，提高运行精度与效率。

（二）伺服系统的主要组成部分

伺服系统由电机、驱动器、反馈传感器与控制器组成。伺服电机常用永磁同步电机和无刷直流电机，前者适用于高精度场合，后者结构简单、效率高。驱动器解析输入信号并驱动电机，通常内嵌 PI 调节、SVPWM 控制、电流前馈等功能。编码器作为反馈元件，分辨率最高可达 24 位，实现亚微米级定位。控制器一般采用 DSP 或 FPGA 平台，具备高速计算与多轴控制能力，满足复杂运动控制需求。

（三）伺服控制系统的分类

按驱动能源，伺服系统分为电气、液压与气动三类。电气伺服系统响应快、控制精度高，是当前应用最广的形式；液压伺服适用于大功率设备，力强但响应略慢；气动伺服结构简单，适合低成本场合[2]。从控制方式看，开环系统无反馈、控制简单，适用于低精度需求；闭环系统具备实时调节能力，是当前伺服控制的主流选择。

二、伺服控制在机电一体化装备中的关键应用

（一）数控机床中的伺服控制技术

数控机床对伺服控制系统提出了高刚性、高精度与多轴协调控制的严格要求。伺服控制技术在数控机床中主要用于主轴驱动与进给系统。典型的进给伺服系统采用直线电机与高分辨率光栅尺反馈，实现微米级位置控制。控制器通过实时插补算法（如样条插补、NURBS 插补）对刀具轨迹进行精准拟合，并结合动态误差补偿技术提升加工质量。在五轴联动加工中心中，伺服系统需保证多轴之间的实时同步与高速插补能力，其控制周期一般小于 1ms ，同时集成动态前馈补偿与抖动抑制算法，以适应复杂曲面加工的需求。

（二）工业机器人中的运动控制系统

工业机器人依赖高性能伺服系统实现多关节运动的精密控制与动态响应。每个关节单元均配备伺服电机与高精度编码器，通过多轴伺服驱动器和实时控制总线实现协调控制与同步运行。伺服系统需同时满足高刚性、高动态响应与低漂移等控制目标，以确保末端执行器轨迹的准确性与稳定性。在六自由度机器人中，路径规划通常基于逆运动学模型，结合轨迹跟踪控制算法（如 PID+ 前馈补偿、模型预测控制 MPC）对各关节动作进行实时修正，精确控制末端执行器的位置与姿态。对于协作机器人，伺服系统还需集成力矩传感器与柔顺控制算法，实现基于力控的自适应控制策略，以提升与人协作时的安全性、交互性与柔性操作能力。

（三）自动化装配线中的伺服控制

自动化装配线要求伺服系统具备高速定位、节拍精确同步与快速响应能力，以确保生产节拍和工艺精度的稳定性[3]。典型应用如贴片机、输送系统、自动检测站等，其伺服系统通过 EtherCAT 等实时工业总线协议实现分布式多轴控制与快速信息传输。以高速贴片机为例，Z 轴的上下吸嘴动作由高速线性伺服驱动，单次定位时间小于 20ms ，满足高速元件贴装需求；同时，XY 轴采用双驱结构，配合 1μm 精度编码器实现高速定位与视觉对准功能，确保贴装位置精度。伺服控制器内集成视觉触发、同步脉冲控制、插补计算等功能，可实现以毫秒级精度对图像采集与动作控制的精准协调，显著提升系统运行效率与稳定性。

（四）智能制造环境下的网络化伺服控制

在智能制造环境中，传统独立伺服系统正逐步向网络化、集成化方向发展。伺服系统与 MES 系统、工业云平台之间通过工业以太网实现高速数据交互，构建统一的运动控制与数据监控架构。EtherCAT、PROFINET 等实时工业协议被广泛采用，支持多轴伺服节点毫秒级同步控制。分布式伺服控制系统可通过主站控制器统一下发运动指令，各从站独立完成控制回路计算，提升系统响应效率并增强可扩展性。同时，远程监控平台可实时采集伺服系统运行状态，实现远程诊断与预防性维护，推动制造系统向预测性维护与闭环优化方向演进。

三、伺服控制技术的优化方向与发展趋势

（一）智能控制算法的发展

现代伺服控制系统正在引入多种智能控制策略以提升复杂场景下的系统自适应能力。例如模糊逻辑控制可解决传统 PID 在非线性系统中的控制滞后问题；神经网络控制通过自学习实现模型优化；模型预测控制（MPC）则通过实时预测系统行为提前补偿扰动，特别适用于高动态响应场合。在高端装备领域，基于 AI 算法的自整定控制器正逐步实现，如通过深度强化学习优化伺服调节参数，在无人干预条件下实现最优跟踪性能。

（二）高性能伺服电机与驱动技术

伺服电机的发展正向高功率密度、低惯量方向演进，以提升动态性能与系统响应速度。采用稀土永磁材料与集成绕组技术可使电机效率提升至 95% 以上，响应时间小于 2ms 。伺服驱动器则集成更多控制与保护功能，如自动参数识别、短路保护、共直流母线能量回馈等。新型数字驱动器支持多种控制模式切换（位置 / 速度 / 力矩），并支持软 PLC扩展，实现运动控制与逻辑控制一体化。

（三）系统稳定性与抗干扰能力优化

高性能伺服系统需具备良好的系统稳定性与鲁棒性。在高速运行环境中，系统容易受到 EMI、机械共振等干扰影响，需采用带宽优化、陷波滤波、振动补偿等手段进行稳定性增强。鲁棒控制算法如H ∞控制、滑模控制在高扰动环境中展现出良好的动态性能。此外，通过光纤通信与隔离电路设计可显著降低干扰耦合，提高系统抗电磁干扰能力。

（四）绿色节能与低碳化设计

伺服控制技术的节能设计已成为关键优化方向。通过能量回馈模块，伺服系统可将制动能量回馈至直流母线或电网，实现能量再利用。在多电机系统中，采用共直流母线架构可实现电能共享，降低整体功耗。同时，变速运行控制策略、空载自动休眠、动态节能补偿等技术也逐步集成进现代伺服系统，助力装备系统朝绿色、低碳方向发展。

总结：

伺服控制技术作为机电一体化装备的核心支撑，已广泛应用于数控机床、工业机器人与自动化装配系统中，其在提升系统精度、动态响应和智能化水平方面具有关键意义。随着制造业智能化转型的加速，伺服控制系统正朝着网络化、智能化与高性能方向发展。未来，其融合先进算法与节能理念，将在推动装备制造技术革新中发挥更加重要的作用。

参考文献

[1] 史训方 . 机电伺服系统级联自抗扰控制策略研究 [D]. 中国运载火箭技术研究院 ,2023.000016.

[2] 师杰 . 工业机器人振动的机电耦合机理与控制方法研究 [D].兰州理工大学 ,2023.000112.

[3] 张泉 , 白继刚 . 伺服电机控制技术相关研究 [J]. 南方农机 ,2023,54(02):35-37.