伺服驅動器與變頻器的區別解析

1、引言

隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用全數字式交流伺服電機作為執行電動機。在控制方式上用脈衝串和方向信號實現。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367692.htm

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節，伺服驅動器中同樣存在變頻（要進行無級調速）。但伺服將電流環速度環或者位置環都閉合進行控制，這是很大的區別。除此外，伺服電機的構造與普通電機是有區別的，要滿足快速響應和準確定位。現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，這樣在現場應用允許的情況下多採用交流異步伺服，這時很多驅動器就是高端變頻器，帶編碼器反饋閉環控制。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、三種控制方式的區別

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。位置控制是通過發脈衝來控制的。具體採用什麼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，只要輸出一個恆轉矩，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，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環控制功能，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。對運動中的動態性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調整。那麼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）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環也從驅動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這麼幹，而且，這時完全不需要使用伺服電機。

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：如果電機軸負載低於2.5Nm時電機正轉，外部負載等於2.5Nm時電機不轉，大於2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產生）。可以通過即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衝的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈衝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。由於位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用於定位裝置。應用領域如數控工具機、印刷機械等等。

3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈衝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，這樣的優點在於可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統的定位精度。

3、伺服與變頻器的區別

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）

1.2.1變頻器：

簡單的變頻器只能調節交流電機的速度，這時可以開環也可以閉環要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統意義上的V/F控制方式。現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採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，採樣反饋後構成閉環負反饋的電流環的PID調節；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於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特性要好很多。

1.2.2伺服驅動器：

驅動器方面：伺服驅動器在發展了變頻技術的前提下，在驅動器內部的電流環，速度環和位置環（變頻器沒有該環）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。通過上位控制器發送的脈衝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裡），驅動器內部的算法和更快更精確的計算以及性能更優良的電子器件使之更優越於變頻器。

電機方面：伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高於變頻器驅動的交流電機（一般交流電機或恆力矩、恆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，響應特性和抗過載能力遠遠高於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麼快的電源信號，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過載設定。當然即使不設定變頻器的輸出能力還是有限的，有些性能優良的變頻器就可以直接驅動伺服電機！！！

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：就是轉子是由永磁材料構成，所以轉動後，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。轉動後，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於定子的變化，一旦等於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裡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，伺服電機也有交流同步伺服和交流異步伺服，當然變頻器裡交流異步變頻常見，伺服則交流同步伺服常見。

4、應用

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：

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成閉環用變頻進行位置控制的，精度和響應都不高。現有些變頻也接受脈衝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，還有就是伺服的響應速度遠遠大於變頻，有些對度的精度和響應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，關鍵是兩點：一是價格伺服遠遠高於變頻，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不斷提高，功率逐步也能達到幾百KW了。