工程師譚軍 發表於 2018-09-24 16:26:00
伺服驅動器
伺服驅動器（servo drives）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，其作用類似於變頻器作用於普通交流馬達，屬於伺服系統的一部分，主要應用於高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。
伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否，對於整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用 ［1］ 。
在伺服驅動器速度閉環中，電機轉子實時速度測量精度對於改善速度環的轉速控制動靜態特性至關重要。為尋求測量精度與系統成本的平衡，一般採用增量式光電編碼器作為測速傳感器，與其對應的常用測速方法為M/T測速法。M/T測速法雖然具有一定的測量精度和較寬的測量範圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：1）測速周期內必須檢測到至少一個完整的碼盤脈衝，限制了最低可測轉速；2）用於測速的2個控制系統定時器開關難以嚴格保持同步，在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度。因此應用該測速法的傳統速度環設計方案難以提高伺服驅動器速度跟隨與控制性能 。
工作原理
目前主流的伺服驅動器均採用數位訊號處理器（DSP）作為控制核心，
可以實現比較複雜的控制算法，實現數位化、網絡化和智能化。功率器件普遍採用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主迴路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的衝擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。
隨著伺服系統的大規模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調試、伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題，越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究。
伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否，對於整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用。
基本要求
伺服進給系統的要求
1、調速範圍寬
2、定位精度高
3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性
4、快速響應，無超調
為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數控系統在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。
5、低速大轉矩，過載能力強
一般來說，伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時間內可以過載4～6倍而不損壞。
6、可靠性高
要求數控工具機的進給驅動系統可靠性高、工作穩定性好，具有較強的溫度、溼度、振動等環境適應能力和很強的抗幹擾的能力。
對電機的要求
1、從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。
2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4～6倍而不損壞。
3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，並具有儘可能小的時間常數和啟動電壓。
4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。
測試平臺
目前，伺服驅動器的測試平臺主要有以下幾種：採用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平臺、採用可調模擬負載的測試平臺、採用有執行電機而沒有負載的測試平臺、採用執行電機拖動固有負載的測試平臺和採用在線測試方法的測試平臺 。
1採用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平臺
這種測試系統由四部分組成，分別是三相PWM整流器、被測伺服驅動器—電動機系統、負載伺服驅動器—電動機系統及上位機，其中兩臺電動機通過聯軸器互相連接。被測電動機工作於電動狀態，負載電動機工作於發電狀態。被測伺服驅動器—電動機系統工作於速度閉環狀態，用來控制整個測試平臺的轉速，負載伺服驅動器—電動機系統工作於轉矩閉環狀態，通過控制負載電動機的電流來改變負載電動機的轉矩大小，模擬被測電機的負載變化，這樣互饋對拖測試平臺可以實現速度和轉矩的靈活調節，完成各種試驗功能測試。上位機用於監控整個系統的運行，根據試驗要求向兩臺伺服驅動器發出控制指令，同時接收它們的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。
對於這種測試系統，採用高性能的矢量控制方式對被測電動機和負載設備分別進行速度和轉矩控制，即可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態性能，完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但由於使用了兩套伺服驅動器—電動機系統，所以這種測試系統體積龐大，不能滿足可攜式的要求，而且系統的測量和控制電路也比較複雜、成本也很高。
2採用可調模擬負載的測試平臺
這種測試系統由三部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統、可調模擬負載及上位機。可調模擬負載如磁粉制動器、電力測功機等，它和被測電動機同軸相連。上位機和數據採集卡通過控制可調模擬負載來控制負載轉矩，同時採集伺服系統的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。對於這種測試系統，通過對可調模擬負載進行控制，也可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態性能，完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但這種測試系統體積仍然比較大，不能滿足可攜式的要求，而且系統的測量和控制電路也比較複雜、成本也很高。
3採用有執行電機而沒有負載的測試平臺
這種測試系統由兩部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統和上位機。上位機將速度指令信號發送給伺服驅動器，伺服驅動器按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數據採集電路採集伺服系統的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。由於這種測試系統中電機不帶負載，所以與前面兩種測試系統相比，該系統體積相對減小，而且系統的測量和控制電路也比較簡單，但是這也使得該系統不能模擬伺服驅動器的實際運行情況。通常情況下，此類測試系統僅用於被測系統在空載情況下的轉速和角位移的測試，而不能對伺服驅動器進行全面而準確的測試。
4採用執行電機拖動固有負載的測試平臺
這種測試系統由三部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統、系統固有負載及上位機。上位機將速度指令信號發送給伺服驅動器，伺服系統按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數據採集電路採集伺服系統的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。
對於這種測試系統，負載採用被測系統的固有負載，因此測試過程貼近於伺服驅動器的實際工作情況，測試結果比較準確。但由於有的被測系統的固有負載不方便從裝備上移走，因此測試過程只能在裝備上進行，不是很方便。
5採用在線測試方法的測試平臺
這種測試系統只有數據採集系統和數據處理單元。數字採集系統將伺服驅動器在裝備中的實時運行狀態信號進行採集和調理，然後送給數據處理單元供其進行處理和分析，最終由數據處理單元做出測試結論。由於採用在線測試方法，因此這種測試系統結構比較簡單，而且不用將伺服驅動器從裝備中分離出來，使測試更加便利。此類測試系統完全根據伺服驅動器在實際運行中進行測試，因此測試結論更加貼近實際情況。但是由於許多伺服驅動器在製造和裝配方面的特點，此類測試系統中的各種傳感器及信號測量元件的安裝位置很難選擇。而且裝備中的其它部分如果出現故障，也會給伺服驅動器的工作狀態造成不良影響，最終影響其測試結果。
伺服驅動器是用來驅動伺服電機的，伺服電機可以是步進電機，也可以是交流異步電機，主要為了實現快速、精確定位，像那種走走停停、精度要求很高的場合用的很多。
變頻器就是為了將工頻交流電變頻成適合調節電機速度的電流，用以驅動電機，現在有的變頻器也可以實現伺服控制了，也就是可以驅動伺服電機，但伺服驅動器和變頻器還是不一樣的！可伺服和變頻器的區別究竟是什麼，請看小編為您分解。
兩者定義
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，能實現對交流異步電機的軟啟動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素等功能。變頻器可驅動變頻電機、普通交流電機，主要是充當調節電機轉速的角色。變頻器通常由整流單元、高容量電容、逆變器和控制器四部分組成。
伺服系統是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。
伺服系統是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。又稱隨動系統。在很多情況下，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。
伺服系統按所用驅動元件的類型可分為機電伺服系統、液壓伺服系統和氣動伺服系統。最基本的伺服系統包括伺服執行元件（電機、液壓缸）、反饋元件和伺服驅動器。若想讓伺服系統運轉順利還需要一個上位機構，PLC、以及專門的運動控制卡，工控機+PCI卡，以便給伺服驅動器發送指令。
兩者工作原理
變頻器的調速原理主要受制於異步電動機的轉速n、異步電動機的頻率f、電動機轉差率s、電動機極對數p這四個因素。轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0-50Hz的範圍內變化時，電動機轉速調節範圍非常寬。變頻調速就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的。主要採用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然後再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩衝無功功率。
伺服系統的工作原理簡單的說就是在開環控制的交直流電機的基礎上將速度和位置信號通過旋轉編碼器、旋轉變壓器等反饋給驅動器做閉環負反饋的PID調節控制。再加上驅動器內部的電流閉環，通過這3個閉環調節，使電機的輸出對設定值追隨的準確性和時間響應特性都提高很多。伺服系統是個動態的隨動系統，達到的穩態平衡也是動態的平衡。
兩者共同點：
交流伺服的技術本身就是借鑑並應用了變頻的技術，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節：變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電，然後通過可控制門極的各類電晶體（IGBT，IGCT等）通過載波頻率和PWM調節逆變為頻率可調的波形類似於正餘弦的脈動電，由於頻率可調，所以交流電機的速度就可調了（n=60f/p，n轉速，f頻率，p極對數）。
兩者區別在於：
1. 過載能力不同。伺服驅動器一般具有3倍過載能力，可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩，而變頻器一般允許1.5倍過載。
2. 控制精度。伺服系統的控制精度遠遠高於變頻，通常伺服電機的控制精度是由電機軸後端的旋轉編碼器保證。有些伺服系統的控制精度甚至達到1：1000。
3. 應用場合不同。變頻控制與伺服控制是兩個範疇的控制。前者屬於傳動控制領域，後者屬於運動控制領域。一個是滿足一般工業應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求的是低成本。另一個則是追求高精度、高性能、高響應。
4. 加減速性能不同。在空載情況下伺服電機從靜止狀態加工到2000r/min，用時不會超20ms。電機的加速時間跟電機軸的慣量以及負載有關係。通常慣量越大加速時間越長。
國內伺服和變頻器市場情況
儘管我國的伺服技術起步較晚，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統才走過50個年頭而已。但不可否認的是，中國製造業開始逐漸意識到伺服系統在提高產品競爭力方面發揮的作用越來越大。伺服系統強勁的市場需求開始漸露頭角。相信不久之後，伺服系統新一輪的增長史必將續寫另一個「中國變頻器」的發展史。主要分析原因如下：
首先，隨著中國經濟整體形式的向好發展，很多伺服重點應用行業如工具機、電子專用設備、醫療器械、混合動力汽車、新能源等行業因經濟政治原因，恢復程度大大超過人們的預期水平。此等行業的發展直接導致伺服市場的需求旺盛，使得眾多國產伺服品牌紛紛崛起。而隨著工業化進程的加快，產業升級與進口替代也推動了伺服產品的大量使用，節能、增產效果日趨明顯。值得一提的是，伺服應用技術在風力發電行業的初步成熟，暗示了節能減碳帶給伺服的商機絕不亞於節能減排給高壓變頻器帶來的機遇。
其次，在高端領域，用戶在使用過程中最為看重的極大因素如穩定性、響應性、精度，都是伺服系統所具備的優勢所在。在技術要求越來越高的今天，誰擁有最高的性能，誰就能獲得用戶青睞，價格已不再是阻礙伺服發展的決定因素。高端市場無疑被伺服佔據著高地。而變頻器只是在一些較為低端的簡單領域發揮著作用。
據不完全統計，目前國內推出伺服產品的廠商差不多有二十餘家。一直以來，伺服領域的準入門檻比低壓變頻器領域高，許多廠商還是基於變頻器技術基礎上發展而來，像國產廠商匯川等企業，就已經開始初嘗伺服產業為企業帶來的實際效益。匯川原有的研發實力為其在伺服領域立足提供有效支撐，而品牌影響力提升、產能釋放和細分行業延伸，使得其在伺服市場的地位將逐年提升，2010年其伺服銷售額就達1億多人民幣。究其轉向伺服產品的最終原因，國家伺服發展政策向好可一語道破玄機。在七大戰略性新興產業中，機械工業佔了兩個即高端裝備製造業和新能源汽車，且其他五個戰略性新興產業也都需要機械工業的支撐。由此看來，製造業的發展也將給伺服發展帶來新契機。
伺服和變頻器的市場競爭
由於變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應用也不大相同，主要的競爭集中在：
技術含量競爭。在相同的領域中，若採購方對機械的技術要求較高並較為複雜，則會選擇伺服系統。反之則會選擇變頻器產品。如一些數控工具機、電子專用設備等高科技機械均會首選伺服產品。
價格競爭。大多數採購方會顧慮成本，常常把技朮忽略而首選價格較低的變頻器。眾所周知，伺服系統的價格差不多是變頻器產品的幾倍。
儘管目前伺服系統的應用還未普及，尤其是國產伺服系統，被應用的場合相比國外伺服產品少之甚少。但隨著工業化進程的加快，人們將逐漸意識到伺服系統的優勢所在，伺服系統也將獲得採購商的認可。同樣，國產伺服技術也不會止步不前，不管是基於豐厚的利潤回報還是振興國家的歷史使命感，相信會有越來越多的廠商將投入到伺服系統的研發領域中。屆時將迎來中國「伺服產業」的鼎盛時期。
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