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伺服系统是工业自动化的重要组成部分，是自动化行业中实现精确定位、精准运动必要途径。伺服系统可以使系统终端执行机构的位置、速度、转矩等输出参数准确地跟随输入量变化。伺服系统按执行元件的不同分为液压伺服系统、电气伺服系统、气动伺服系统，目前电气伺服系统应用最为广泛。
图表1: 伺服系统分类
伺服系统功能是确保执行机构的输出变量能够精确跟随输入参数运动，因此伺服系统也被称为随动系统。伺服系统的工作过程是当设定完工作指令后，中央控制器发出信号给伺服驱动器，伺服驱动器发出脉冲信号给伺服电机驱动其转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。伺服系统整个工作过程通过闭环方式精确控制执行机构的位置、速度、力矩等输出变量。伺服系统能够实现精准定位和快速响应是因为伺服系统将电流环、速度环、位置环进行了闭环控制。
图表2: 伺服系统工作方式
目前应用最为广泛的电气伺服系统，本文我们将着重讨论电气伺服系统。通常伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机，以及伺服反馈装置（编码器）。伺服驱动器属于自动化控制系统中的驱动层，伺服电机属于执行层。伺服驱动器和伺服电机如今已经成为智能制造的必备品。伺服系统的工作过程可以简单理解为上位机（PLC、控制卡）发出脉冲信号驱动伺服电机，由上位机来控制整个伺服运动，编码器是一个反馈单元，用来检查伺服电机执行了多少脉冲信号并反馈给驱动器，从而进行精确闭环控制。我们可以借助工业中常用的变频调速系统来理解伺服系统，伺服系统类似于传统工业中常用的变频调速系统，伺服驱动器控制伺服电机类似于变频器控制普通电机。伺服系统与变频调速系统功能类似，同时伺服系统具有两个明显优势，首先在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，其次伺服系统的响应速度远远大于变频系统，所以在精确、快速运动中选用伺服系统。
伺服电机在自动化控制系统在往往与终端执行机构相连，因此也被成为执行电机。伺服电机在伺服系统中作为执行元件，其作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，与普通电机相比其主要特点是，其通常搭配反馈装置一起使用，实现精准控制。伺服电机主要由定子和转子构成，定子上有两个绕组，励磁绕组和控制绕组。其内部的转子是永磁铁或感应线圈，导磁材料，转子在由励磁绕组产生的旋转磁场的作用下转动。同时伺服电机自带编码器，驱动器实时的接受到编码器的反馈信号，再根据反馈值与目标值进行比较来调整转子转动的角度。由此可见，伺服电机的控制精确度很大程度决定于编码器的精度。
伺服电机主要靠脉冲来进行定位，工作原理通俗一点可以理解为当伺服电机接收到伺服驱动器发出一定数量的脉冲信号后，电机转子就会旋转该数量脉冲所对应的角度，通常选购电机时，厂商会将电机转动一圈所对应的脉冲数量标明，该参数也是衡量电机精度水平的重要参数之一。伺服电机使用时必须搭配编码器一起适用（通常情况下编码器内置在伺服电机末端），当伺服电机转动后，编码器就会将其转动角度对应的脉冲反馈给伺服控制器，随着电磁控制技术的升级，目前高端伺服电机的精度已经达到0.0001mm。
伺服驱动器又被称为伺服控制器、伺服放大器，是用来控制伺服电机的一种控制器。其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，是传动技术的核心控制产品。
伺服驱动器的作用是将多个输入信号与反馈信号进行综合并加以放大，根据综合信号的极性的不同，输出相应的信号控制伺服电机正转或者反转。当输入信号和反馈信号相平衡时，伺服电机便停止转动，末端执行机构便稳定在一定位置上。伺服驱动器主要由前置磁放大器、触发管、晶闸管主回路和电源等部分组成。
伺服驱动器功能在伺服系统中的功能类似与普通运动系统中的变频器，但其性能和工业的多样性大大丰富于变频器。变频器只能对普通电机进行转速控制，而伺服驱动器可以通过速度环、位置环、电流环分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制。
伺服电机编码器是安装在伺服电机末端用来测量伺服电机转角及转速的一种传感器，通常内置在伺服电机末端。伺服电机编码器目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。光电编码器通过光电码盘反射光信号数量确定电机转子转动角度，而磁电编码器通过磁场感应元器件来感应电机转子转动所带来的磁场变化来确定电机转子位置。光电式编码器进度主要由码盘刻度线精度决定，精度越高，刻度线越多，码盘体积越大，其技术难点就在于码盘的加工生产；磁电式编码器使用磁场感应元器件代替码盘，因此可以在提高精度的同时保证体积相对较小，所以在高精度但对编码器体积有要求的前提下使用磁电编码器，同时磁电式编码器采用的磁场感应工作原理，相对于光反射过程相对简单，过程更为可靠。但是磁电编码器价格比较昂贵，目前仅在精度要求、工况要求相对较高的领域适用，随着未来磁场感应元器件价格的下降，磁电式编码器将会有替代光电式编码器的趋势。
编码器作为伺服系统的信号反馈装置，很大程度上决定了伺服系统的精度。伺服驱动器驱动电机运转，电机带着编码器旋转，编码器的反馈型号输送到控制器，控制器就能知道电机的运转情况，从而得出电机的转速，移动位置和移动距离等。控制器根据编码器反馈的信号经过计算得出偏差结果，再次控制电机运动，纠正偏差，从而精确控制电机的转速、位置、距离和力矩等系统变量。
编码器技术作为伺服系统的核心技术之一，高精度编码器研发难度非常大，目前国内和国外的伺服系统大部分厂商都是匹配第三方编码器。目前世界上编码器龙头企业是德国Heidenhain公司，其产品选型范围广，品种齐全；比较著名的公司还有日本的尼康和佳能，他们凭借在光学仪器生产中常年积累的经验，生产的光电式编码器具有性能稳定，精度高，使用寿命长等优点。随着国内研发投入的不断提高，目前部内企业已经掌握编码器技术，汇川技术已经能够生产出达到国际领先水平的23位编码器，从而降低了整个伺服系统的制造成本，在行业竞争中取得优势。
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