摘要：

伺服驅(qū)動器（servodrives）又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。

1、引言

隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。在控制方式上用脈沖串和方向信號實現(xiàn)。

伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動器中同樣存在變頻（要進行無級調(diào)速）。但伺服將電流環(huán)速度環(huán)或者位置環(huán)都閉合進行控制，這是很大的區(qū)別。除此外，伺服電機的構(gòu)造與普通電機是有區(qū)別的，要滿足快速響應(yīng)和準確定位。現(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服，但這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾KW以上的同步伺服價格及其昂貴，這樣在現(xiàn)場應(yīng)用允許的情況下多采用交流異步伺服，這時很多驅(qū)動器就是高端變頻器，帶編碼器反饋閉環(huán)控制。所謂伺服就是要滿足準確、精確、快速定位，只要滿足就不存在伺服變頻之爭。

2、三種控制方式的區(qū)別

一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。

速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求，滿足何種運動功能來選擇。如果您對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恒轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心，用轉(zhuǎn)矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。就伺服驅(qū)動器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運算量最小，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最快；位置模式運算量最大，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最慢。對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調(diào)整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動器移到控制器上，減少驅(qū)動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時完全不需要使用伺服電機。

1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機床、印刷機械等等。

3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。

3、伺服與變頻器的區(qū)別

交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的各類晶體管（IGBT，IGCT等）通過載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機的速度就可調(diào)了（n=60f/p，n轉(zhuǎn)速，f頻率，p極對數(shù)）

1.2.1變頻器：

簡單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機的速度，這時可以開環(huán)也可以閉環(huán)要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統(tǒng)意義上的V/F控制方式?，F(xiàn)在很多的變頻已經(jīng)通過數(shù)學(xué)模型的建立，將交流電機的定子磁場UVW3相轉(zhuǎn)化為可以控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個電流的分量，現(xiàn)在大多數(shù)能進行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩，UVW每相的輸出要加霍爾效應(yīng)的電流檢測裝置，采樣反饋后構(gòu)成閉環(huán)負反饋的電流環(huán)的PID調(diào)節(jié)；ABB的變頻又提出和這樣方式不同的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，具體請查閱有關(guān)資料。這樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩，而且速度的控制精度優(yōu)于v/f控制，編碼器反饋也可加可不加，加的時候控制精度和響應(yīng)特性要好很多。

1.2.2伺服驅(qū)動器：

驅(qū)動器方面：伺服驅(qū)動器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)（變頻器沒有該環(huán)）都進行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運算，在功能上也比傳統(tǒng)的變頻強大很多，主要的一點可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置（當(dāng)然也有些伺服內(nèi)部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數(shù)設(shè)定在驅(qū)動器里），驅(qū)動器內(nèi)部的算法和更快更精確的計算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器。

電機方面：伺服電機的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電機（一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機），也就是說當(dāng)驅(qū)動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機就能根據(jù)電源變化產(chǎn)生響應(yīng)的動作變化，響應(yīng)特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電機，電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應(yīng)不了，所以在變頻的內(nèi)部算法設(shè)定時為了保護電機做了相應(yīng)的過載設(shè)定。當(dāng)然即使不設(shè)定變頻器的輸出能力還是有限的，有些性能優(yōu)良的變頻器就可以直接驅(qū)動伺服電機?。?！

1.2.3交流電機：

交流電機一般分為同步和異步電機

1、交流同步電機：就是轉(zhuǎn)子是由永磁材料構(gòu)成，所以轉(zhuǎn)動后，隨著電機的定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，轉(zhuǎn)子也做響應(yīng)頻率的速度變化，而且轉(zhuǎn)子速度=定子速度，所以稱“同步”。

2、交流異步電機：轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線圈和材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)動后，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場切割定子的感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，進而轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，但轉(zhuǎn)子的磁場變化永遠小于定子的變化，一旦等于就沒有變化的磁場切割轉(zhuǎn)子的感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子線圈中也就沒有了感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子磁場消失，轉(zhuǎn)子失速又與定子產(chǎn)生速度差又重新獲得感應(yīng)電流。。。所以在交流異步電機里有個關(guān)鍵的參數(shù)是轉(zhuǎn)差率就是轉(zhuǎn)子與定子的速度差的比率。

3、對應(yīng)交流同步和異步電機變頻器就有相映的同步變頻器和異步變頻器，伺服電機也有交流同步伺服和交流異步伺服，當(dāng)然變頻器里交流異步變頻常見，伺服則交流同步伺服常見。

4、應(yīng)用

由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應(yīng)用也不大相同：

1、在速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號構(gòu)成閉環(huán)用變頻進行位置控制的，精度和響應(yīng)都不高。現(xiàn)有些變頻也接受脈沖序列信號控制速度的，但好象不能直接控制位置。

2、在有嚴格位置控制要求的場合中只能用伺服來實現(xiàn)，還有就是伺服的響應(yīng)速度遠遠大于變頻，有些對度的精度和響應(yīng)要求高的場合也用伺服控制，能用變頻控制的運動的場合幾乎都能用伺服取代，關(guān)鍵是兩點：一是價格伺服遠遠高于變頻，二是功率的原因：變頻最大的能做到幾百KW，甚至更高，而伺服最大就幾十KW。但隨著伺服電機技術(shù)不斷提高，功率逐步也能達到幾百KW了。