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，主要套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。

基本介紹

• 中文名：伺服驅動器
• 外文名：servo drives
• 別名：伺服控制器、伺服放大器
• 實質：控制伺服電機的一種控制器

基本介紹

伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛套用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是套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。

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感測器，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。因此套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、網路化和智慧型化。功率器件普遍採用以智慧型功率模組（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。

伺服驅動器（圖1）

隨著伺服系統的大規模套用，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，被廣泛套用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是套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

伺服驅動器（圖2）

2、定位精度高

3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性

4、快速回響，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回響特性，即要求跟蹤指令信號的回響要快，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、濕度、振動等環境適應能力和很強的抗干擾的能力。

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、為了滿足快速回響的要求，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。

測試平台

目前，伺服驅動器的測試平台主要有以下幾種：採用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平台、採用可調模擬負載的測試平台、採用有執行電機而沒有負載的測試平台、採用執行電機拖動固有負載的測試平台和採用線上測試方法的測試平台。

1採用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平台

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，其中兩台電動機通過聯軸器互相連線。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台的轉速，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台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，根據試驗要求向兩台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，不能滿足攜帶型的要求，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台

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，不能滿足攜帶型的要求，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台

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傳送給伺服驅動器，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台

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傳送給伺服驅動器，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採用線上測試方法的測試平台

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。由於採用線上測試方法，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感測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。

有關參數

位置比例增益

1、設定位置環調節器的比例增益；

2、設定值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈衝條件下，位置滯後量越小。但數值太大可能會引起振盪或超調；

3、參數數值由具體的伺服系統型號和負載情況確定。

位置前饋增益

1、設定位置環的前饋增益；

2、設定值越大時，表示在任何頻率的指令脈衝下，位置滯後量越小；

3、位置環的前饋增益大，控制系統的高速回響特性提高，但會使系統的位置不穩定，容易產生振盪；

4、不需要很高的回響特性時，本參數通常設為0表示範圍：0~100%。

速度比例增益

1、設定速度調節器的比例增益；

2、設定值越大，增益越高，剛度越大。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載值情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大；

3、在系統不產生振盪的條件下，儘量設定較大的值。

速度積分時間常數

1、設定速度調節器的積分時間常數；

2、設定值越小，積分速度越快。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大；

3、在系統不產生振盪的條件下，儘量設定較小的值。

速度反饋濾波因子

1、設定速度反饋低通濾波器特性；

2、數值越大，截止頻率越低，電機產生的噪音越小。如果負載慣量很大，可以適當減小設定值。數值太大，造成回響變慢，可能會引起振盪；

3、數值越小，截止頻率越高，速度反饋回響越快。如果需要較高的速度回響，可以適當減小設定值。

最大輸出轉矩設定

1、設定伺服電機的內部轉矩限制值；

2、設定值是額定轉矩的百分比；

3、任何時候，這個限制都有效定位完成範圍；

4、設定位置控制方式下定位完成脈衝範圍；

5、本參數提供了位置控制方式下驅動器判斷是否完成定位的依據，當位置偏差計數器內的剩餘脈衝數小於或等於本參數設定值時，驅動器認為定位已完成，到位開關信號為 ON，否則為OFF；

6、在位置控制方式時，輸出位置定位完成信號，加減速時間常數；

7、設定值是表示電機從0~2000r/min的加速時間或從2000~0r/min的減速時間；

8、加減速特性是線性的到達速度範圍；

9、設定到達速度；

10、在非位置控制方式下，如果電機速度超過本設定值，則速度到達開關信號為ON，否則為OFF；

11、在位置控制方式下，不用此參數；

12、與旋轉方向無關。

套用領域

伺服驅動器廣泛套用於注塑機領域、紡織機械、包裝機械、數控工具機領域等。

控制器特點

調速比1：5000
轉數比0.3：1500
有位置控制
有零速鎖定
過載能力200[%]―300[%]
起動力矩大
轉速不受負載影響
三閉環控制

相關區別

1、伺服控制器通過自動化接口可很方便地進行操作模組和現場匯流排模組的轉換，同時使用不同的現場匯流排模組實現不同的控制模式(RS232、RS485、光纖、InterBus、ProfiBus)，而通用變頻器的控制方式比較單一。
2、伺服控制器直接連線旋轉變壓器或編碼器，構成速度、位移控制閉環。而通用變頻器只能組成開環控制系統。
3伺服控制器的各項控制指標(如穩態精度和動態性能等)優於通用變頻器。