伺服驅動器的工作原理

1、伺服驅動器的工作原理隨著全數字式交流伺服系統(tǒng)的出現，交流 伺服電機也越來越多地 應用于數字控制系統(tǒng)中。為了適應數字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系 統(tǒng)中大多采用全數字式交流 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。一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控 制方式。速度控制和轉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，只要輸出一個恒轉矩，當然 是用轉矩模式。如果對位置和速度有一定的精度要求， 而對實時轉矩不是很關心，用 轉矩模式不太方便，用

2、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。就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量 最小，驅動器對控制信號的響應最快； 位置模式運算量最大，驅動器 對控制信號的響應最慢。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)從驅動器移到控制器上， 減少驅動器的工作量，提高 效率（比如大部分中高端運動控制器）；

3、如果有更好的上位控制器， 還可以用轉矩方式控制，把速度環(huán)也從驅動器上移開，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。換一種說法是：1、轉矩控制：轉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定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為 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，外部負載等于2.5Nm時電 機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產生）。 可以通過實時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。應用主要在對材質的受力

4、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備，轉矩 的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨 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 定轉動速度的大小，通過脈沖的個數來確定轉動的角度， 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，所以一般應用于定位裝置。應用領域 如數控機床、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

5、號給上位回饋以 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。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 須的內部環(huán)節(jié)，伺服驅動器中同樣存在變頻（要進行無級調速）。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，伺服電機的構造與普通電機是有區(qū)別的，要滿足快速響應和 準確定位?，F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

6、伺服價格及其昂貴，這樣在現場應用允許的情況下多采用交流異步 伺服，這時很多驅動器就是高端 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確、精確、快速定位，只要滿足就不存在伺服 變頻之爭。一、兩者的共同點：交流伺服的技術本身就是借鑒并應用了變頻的技術，在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的 PWM方式模仿直流電機的控制方式來 實現的，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調節(jié)逆變?yōu)轭l 率可調的波形類似于正余弦的脈動電， 由于頻率可調，所以交流電機

7、的速度就可調了（ n=60f/p , n轉速，f頻率，p極對數）二、談談變頻器：簡單的變頻器只能調節(jié)交流電機的速度， 這時可以開環(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在很多的變頻已經通過數學模型的建立，將交流電機的定子磁場 UVW3相轉化為可以控制電機轉速和轉矩的兩個電流的分量，現在 大多數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的電流檢測裝置，采樣回饋后 構成死循環(huán)負反饋的電流環(huán)的 PID調節(jié)；ABB的變頻又提出和這樣 方式不同的直接轉矩控制技術，具體請查閱有關數據。這樣可以既控 制電機的速度也可控制電

8、機的力矩，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，加的時候控制精度和響應特性要好很 多。三、談談伺服：驅動器方面：伺服驅動器在發(fā)展了變頻技術的前提下， 在驅動器內部 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（當然也有些伺服內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設定在驅動器里），驅動器內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、結構和加

9、工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機（一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機），也 就是說當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機 就能根據電源變化產生響應的動作變化，響應特性和抗超載能力遠遠 高于變頻器驅動的交流電機，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 機本身就反應不了，所以在變頻的內部算法設定時為了保護電機做了 相應的超載設定。當然即使不設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動伺服電機！ ！四、談談交流電機：交流電機一般分為同步和異步電機1、交流同步電機：就是轉子是由永磁材料構成，所

10、以轉動后，隨著電機的定子旋轉磁場的變化，轉子也做響應頻率的速度變化，而且轉 子速度=定子速度，所以稱 同步”2、交流異步電機：轉子由感應線圈和材料構成。轉動后，定子產生 旋轉磁場，磁場切割定子的感應線圈，轉子線圈產生感應電流，進而 轉子產生感應磁場，感應磁場追隨定子旋轉磁場的變化， 但轉子的磁 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子的 感應線圈，轉子線圈中也就沒有了感應電流， 轉子磁場消失，轉子失 速又與定子產生速度差又重新獲得感應電流。所以在交流異步電 機里有個關鍵的參數是轉差率就是轉子與定子的速度差的比率。3、對應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，