伺服驅(qū)動(dòng)器的工作原理

1、伺服驅(qū)動(dòng)器的工作原理創(chuàng)作：歐陽(yáng)美時(shí)間：2021.01.01隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越 來(lái)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(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電 動(dòng)機(jī)。在控制方式上用脈沖串和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)。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(lái)控制的。位置控制是通過(guò)發(fā)脈 沖來(lái)控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶(hù)的要求，滿足何 種運(yùn)動(dòng)功能來(lái)選擇。如果您對(duì)電機(jī)的速度、位置都沒(méi)有要求，只 要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。如果對(duì)位置和速度有一 定的精度要求，而對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是

2、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死循環(huán)控 制功能，用速度控制效果會(huì)好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高，或 者，基本沒(méi)有實(shí)時(shí)性的要求，用位置控制方式對(duì)上位控制器沒(méi)有 很高的要求。就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來(lái)看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最 小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快；位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng) 器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較髙的要求 時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度 很慢（比如PLC,或低端運(yùn)動(dòng)控制器），就用位置方式控制。如 果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器 歐陽(yáng)美創(chuàng)編 2021.01.01歐陽(yáng)美創(chuàng)編20

3、21.01.01移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率（比如大部分中 高端運(yùn)動(dòng)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(dòng)器上移開(kāi)，這一般只是高端專(zhuān)用控制 器才能這么干，而且，這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。換一種說(shuō) 法是：1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或 直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表 現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸 輸出為2.5Nm：如果電機(jī)軸負(fù)載低于2. 5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù) 載等于2. 5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2. 5Nm時(shí)電機(jī)庾轉(zhuǎn)（通常在有重 力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)的改

4、變模擬量的設(shè)定來(lái)改變 設(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí) 現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)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(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)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(guò)外部輸入的脈沖 的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角 度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。 由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很?chē)?yán)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(jī)床、印刷機(jī)械等等。3、速度 模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控 制

5、，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定 位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位回饋 以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí) 的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終 負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng) 過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。伺服的基本概念是 準(zhǔn)確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個(gè)必須的內(nèi)部環(huán)節(jié), 伺服驅(qū)動(dòng)器中同樣存在變頻（要進(jìn)行無(wú)級(jí)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(jìn)行控制，這是很大的區(qū)別。除此外, 伺服電機(jī)的構(gòu)造與普通電機(jī)是有區(qū)別的，要滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確 定位?，F(xiàn)在市面上

6、流通的交流伺服電機(jī)多為永磁同步交流伺服， 但這種電機(jī)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(jià)格及其昂貴，這樣在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用允許的情況下多采用交 流異步伺服，這時(shí)很多驅(qū)動(dòng)器就是高端變頻器，帶編碼器回饋死 循環(huán)控制。所謂伺服就是要滿足準(zhǔn)確、精確、快速定位，只要滿 足就不存在伺服變頻之爭(zhēng)。一、兩者的共同點(diǎn)：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(jī)的伺服控制的基 礎(chǔ)上通過(guò)變頻的PWM方式模仿直流電機(jī)的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也 就是說(shuō)交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的 50. 601IZ的交流電先整流成直流電，然后通過(guò)可控制門(mén)極的各 類(lèi)晶體管（IGBT, IG

7、CT等）通過(guò)載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l 率可調(diào)的波形類(lèi)似于正余弦的脈動(dòng)電，由于頻率可調(diào)，所以交流 電機(jī)的速度就可調(diào)了（n二60f/p , n轉(zhuǎn)速，f頻率，p極對(duì)數(shù)） 二、談?wù)勛冾l器：簡(jiǎn)單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機(jī)的速度，這時(shí) 可以開(kāi)環(huán)也可以死循環(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(guò)數(shù)學(xué)模型的建 立，將交流電機(jī)的定子磁場(chǎng)UVW3相轉(zhuǎn)化為可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)電流的分量，現(xiàn)在大多數(shù)能進(jìn)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(cè)裝置，采樣回饋后構(gòu)成死循環(huán)負(fù)反饋的電流環(huán)的 PID調(diào)節(jié)；ABB的

8、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(qǐng)查閱有關(guān)數(shù)據(jù)。這樣可以既控制電機(jī)的速度也可控制 電機(jī)的力矩，而且速度的控制精度優(yōu)于v/f控制，編碼器回饋也 可加可不加，加的時(shí)候控制精度和響應(yīng)特性要好很多。三、談?wù)?伺服：驅(qū)動(dòng)器方面：伺服驅(qū)動(dòng)器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)（變頻器沒(méi)有該環(huán)）都進(jìn) 行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運(yùn)算，在功能上也比傳 統(tǒng)的變頻強(qiáng)大很多，主要的一點(diǎn)可以進(jìn)行精確的位置控制。通過(guò) 上位控制器發(fā)送的脈沖序列來(lái)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(guò)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(dòng)器里），驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的

9、算法和更快更精確的計(jì) 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(jī)方面： 伺服電機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流 電機(jī)（一般交流電機(jī)或恒力矩、恒功率等各類(lèi)變頻電機(jī)），也就 是說(shuō)當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時(shí)，伺服電 機(jī)就能根據(jù)電源變化產(chǎn)生響應(yīng)的動(dòng)作變化，響應(yīng)特性和抗超載能 力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)，電機(jī)方面的嚴(yán)重差異也是兩 者性能不同的根本。就是說(shuō)不是變頻器輸出不了變化那么快的電 源信號(hào)，而是電機(jī)本身就反應(yīng)不了，所以在變頻的內(nèi)部算法設(shè)定 時(shí)為了保護(hù)電機(jī)做了相應(yīng)的超載設(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(dòng)伺

10、 服電機(jī)！ ！ ！四、談?wù)劷涣麟姍C(jī)：交流電機(jī)一般分為同步和異步 電機(jī)1、交流同步電機(jī)：就是轉(zhuǎn)子是由永磁材料構(gòu)成，所以轉(zhuǎn)動(dòng) 后，隨著電機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化，轉(zhuǎn)子也做響應(yīng)頻率的速度 變化，而且轉(zhuǎn)子速度二定子速度，所以稱(chēng)"同步”。2、交流異步 電機(jī)：轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線圈和材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)后，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), 磁場(chǎng)切割定子的感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而轉(zhuǎn)子產(chǎn) 生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化，但轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng) 變化永遠(yuǎn)小于定子的變化，一旦等于就沒(méi)有變化的磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子 的感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子線圈中也就沒(méi)有了感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(jī)里有個(gè)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(duì)應(yīng)交流同步和異步電機(jī)變頻器就有相映的同 步變頻器和異步變頻器，伺服電機(jī)也有交流同步伺服和交流