伺服系统 — 是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值 ( 或给定值 ) 的任意变化的自动控制系统。 在自动控制系统中，使输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。

  伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。

  直流电机伺服系统中，以微控制器作为控制核心，处理来自反馈环节的输入信号，由控制程序控制输出 PWM 驱动直流电机驱动模块，实现对直流电机的调速。

  定义输出或输入为直流电的旋转电机，称为直流电机。它可以在一定程度上完成直流电能和机械能互相转换。

  直流电机的结构由定子和转子两大部分所组成。直流电机运行时静止不动的部 分称为定子，定子的最大的作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其最大的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

  主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分所组成。铁心一般用 0.5mm ～ 1.5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既能调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座。

  换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能会产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

  电机定子的外壳称为机座，机座的作用有两个：一是用来固定主磁极。二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座有充足的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

  电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图 1 所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置能调整，调好以后加以固定。

  电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由 0.5mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

  电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的核心部件，所以叫电枢。它是由许多线圈按一定规律连接而成，线圈采取高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

  在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以

  电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。

  转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

  直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

  励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线 （ a ）所示。图中 M 表示电动机，若为发电机，则用 G 表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。

  并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线 （ b ）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

  串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线 （ c ）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

  复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线 （ d ）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

  不同励磁方式的直流电机有不一样的特性。正常的情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

  导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

  如图 3 ， 当电枢转了 180° 后，导体 cd 转到 N 极下，导体 ab 转到 S 极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A 流入，经导体 cd 、 ab 后，从电刷 B 流出。这时导体 cd 受力方向变为从右向左，导体 ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab 和 cd 流入，使线圈边只要处于 N 极下，其中通过电流的方向总 是由电刷 A 流入的方向，而在 S 极下时，总是从电刷 B 流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。

  图 4 中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“ H 桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H 。 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠。 H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

  要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 4 所示，当 M1 管和 M4 管导通时，电流就从电源正极经 M1 从左至右穿过电机，然后再经 M4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 M1 和 M4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图 5 所示为另一对三极管 M2 和 M3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管 M2 和 M3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

  4.2 使能控制和方向逻辑驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通很重要。如果三极管 M1 和 M2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外无另外的任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。

  图 6 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本 H 桥电路的基础上增加了 4 个与门和 2 个非门。 4 个与门同一个 “ 使能 ” 导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而 2 个非门通过提供一种方向输人，能够保证任何一个时间里在 H 桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。实际使用的时候，用分立元件制作 H 桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的 H 桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就能够正常的使用了，在额定的电压和电流内使用十分便捷可靠。比如常用的 L293D 、 L298N 、 TA7257P 、 SN754410 等。

  脉宽调制的全称为： Pulse Width Modulator ，简称 PWM 。由于它的特殊性能，常被用作直流回路中灯具调光或直流电动机调速。这里将要介绍的是利用脉宽调制 (PWM) 原理制作的马达控制器。有关电路已经在汽车仪表照明、车灯照明调光和计算机电源散热风扇方面得到应用。该装置可用于 12v 或 24v 直流电路中，两者间只需稍做变动。它主要是通过改变输出方波的占空比，使得负载上的平均接通时间从 0-100 ％变化，以达到调整负载亮度 / 速度的目的。 PWM 信号一般可有微控制器产生。 如图 7

  旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差 90 度的脉冲，通过这两组脉冲不但可以测量转速，还能判断旋转的方向。编码器如以信号原理来分，有增量型编码器 , 绝对型编码器。

  增量型编码器 ( 旋转型 ) 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取 , 获得四组正弦波信号组合成 A 、 B 、 C 、 D, 每个正弦波相差 90 度相位差（相对于一个周波为 360 度），将 C 、 D 信号反向，叠加在 A 、 B 两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个 Z 相脉冲以代表零位参考位。由于 A 、 B 两相相差 90 度，可通过比较 A 相在前还是 B 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其耐热性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率 — 编码器以每旋转 360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线 线。

  绝对型编码器（旋转型） 光码盘上有许多道光通道刻线 线 线 线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从 2 的零次方到 2 的 n-1 次方的唯一的 2 进制编码（格雷码），这就称为 n 位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器 旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过 360 度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围 360 度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。 如果要测量旋转超过 360 度范围，就要用 到多圈绝对值编码器。

  在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 它 结构简单、稳定性高、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 别的技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量来控制的。

  比例控制（ P ）是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steady-state error ）。

  在积分（ I ）控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制管理系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（ System with Steady-state Error ）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “ 积分项 ” 。积分项对误差取决于时间的积分，跟着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会跟着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 + 积分 (PI) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

  在微分（ D ）控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中有极大几率会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay) 组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “ 超前 ” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例 ” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前要增加的是 “ 微分项 ” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 + 微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 + 微 分 (PD) 控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。

  如图 8 所示为直流电机伺服驱动系统控制方块图，由微控制器作为运动控制元件，输出 PWM 信号驱动 H 桥作为 PWM 功放，编码器采集到的信号传回微控制器，用于 PID 控制。

  直流电机以其价格低，控制方便的特性，得到了广泛的应用。旋转编码器精度高成本低，可作为首选的反馈传感器。采用 PID 闭环控制管理系统，可以精确并实时的控制和调整电机转速。