伺服驅(qū)動器

　　伺服驅(qū)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，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。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(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。

　　伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機的伺服驅(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當前交流伺服驅(qū)動器設(shè)計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用 ［1］ 。

　　在伺服驅(qū)動器速度閉環(huán)中，電機轉(zhuǎn)子實時速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速控制動靜態(tài)特性至關(guān)重要。為尋求測量精度與系統(tǒng)成本的平衡，一般采用增量式光電編碼器作為測速傳感器，與其對應(yīng)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范圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：1）測速周期內(nèi)必須檢測到至少一個完整的碼盤脈沖，限制了最低可測轉(zhuǎn)速；2）用于測速的2個控制系統(tǒng)定時器開關(guān)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(yīng)用該測速法的傳統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計方案難以提高伺服驅(qū)動器速度跟隨與控制性能 。

　　工作原理

　　目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，

　　可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)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，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)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(yīng)的直流電。經(jīng)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(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)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(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動器使用、伺服驅(qū)動器調(diào)試、伺服驅(qū)動器維修都是伺服驅(qū)動器在當今比較重要的技術(shù)課題，越來越多工控技術(shù)服務(wù)商對伺服驅(qū)動器進行了技術(shù)深層次研究。

　　伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機的伺服驅(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當前交流伺服驅(qū)動器設(shè)計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

　　基本要求

　　伺服進給系統(tǒng)的要求

　　1、調(diào)速范圍寬

　　2、定位精度高

　　3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性

　　4、快速響應(yīng)，無超調(diào)

　　為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)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(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，因為數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。

　　5、低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強

　　一般來說，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。

　　6、可靠性高

　　要求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應(yīng)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(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。

　　2、電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。

　　3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。

　　4、電機應(yīng)能承受頻繁啟、制動和反轉(zhuǎn)。

　　測試平臺

　　目前，伺服驅(qū)動器的測試平臺主要有以下幾種：采用伺服驅(qū)動器—電動機互饋對拖的測試平臺、采用可調(diào)模擬負載的測試平臺、采用有執(zhí)行電機而沒有負載的測試平臺、采用執(zhí)行電機拖動固有負載的測試平臺和采用在線測試方法的測試平臺 。

　　1采用伺服驅(qū)動器—電動機互饋對拖的測試平臺

　　這種測試系統(tǒng)由四部分組成，分別是三相PWM整流器、被測伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)、負載伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)及上位機，其中兩臺電動機通過聯(lián)軸器互相連接。被測電動機工作于電動狀態(tài)，負載電動機工作于發(fā)電狀態(tài)。被測伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來控制整個測試平臺的轉(zhuǎn)速，負載伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過控制負載電動機的電流來改變負載電動機的轉(zhuǎn)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(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)節(jié)，完成各種試驗功能測試。上位機用于監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行，根據(jù)試驗要求向兩臺伺服驅(qū)動器發(fā)出控制指令，同時接收它們的運行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行保存、分析與顯示。

　　對于這種測試系統(tǒng)，采用高性能的矢量控制方式對被測電動機和負載設(shè)備分別進行速度和轉(zhuǎn)矩控制，即可模擬各種負載情況下伺服驅(qū)動器的動、靜態(tài)性能，完成對伺服驅(qū)動器的全面而準確的測試。但由于使用了兩套伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)，所以這種測試系統(tǒng)體積龐大，不能滿足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。

　　2采用可調(diào)模擬負載的測試平臺

　　這種測試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)、可調(diào)模擬負載及上位機?？烧{(diào)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(shù)據(jù)采集卡通過控制可調(diào)模擬負載來控制負載轉(zhuǎn)矩，同時采集伺服系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行保存、分析與顯示。對于這種測試系統(tǒng)，通過對可調(diào)模擬負載進行控制，也可模擬各種負載情況下伺服驅(qū)動器的動、靜態(tài)性能，完成對伺服驅(qū)動器的全面而準確的測試。但這種測試系統(tǒng)體積仍然比較大，不能滿足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。

　　3采用有執(zhí)行電機而沒有負載的測試平臺

　　這種測試系統(tǒng)由兩部分組成，分別是被測伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)和上位機。上位機將速度指令信號發(fā)送給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行保存、分析與顯示。由于這種測試系統(tǒng)中電機不帶負載，所以與前面兩種測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)體積相對減小，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較簡單，但是這也使得該系統(tǒng)不能模擬伺服驅(qū)動器的實際運行情況。通常情況下，此類測試系統(tǒng)僅用于被測系統(tǒng)在空載情況下的轉(zhuǎn)速和角位移的測試，而不能對伺服驅(qū)動器進行全面而準確的測試。

　　4采用執(zhí)行電機拖動固有負載的測試平臺

　　這種測試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測伺服驅(qū)動器—電動機系統(tǒng)、系統(tǒng)固有負載及上位機。上位機將速度指令信號發(fā)送給伺服驅(qū)動器，伺服系統(tǒng)按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行保存、分析與顯示。

　　對于這種測試系統(tǒng)，負載采用被測系統(tǒng)的固有負載，因此測試過程貼近于伺服驅(qū)動器的實際工作情況，測試結(jié)果比較準確。但由于有的被測系統(tǒng)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采用在線測試方法的測試平臺

　　這種測試系統(tǒng)只有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)字采集系統(tǒng)將伺服驅(qū)動器在裝備中的實時運行狀態(tài)信號進行采集和調(diào)理，然后送給數(shù)據(jù)處理單元供其進行處理和分析，最終由數(shù)據(jù)處理單元做出測試結(jié)論。由于采用在線測試方法，因此這種測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，而且不用將伺服驅(qū)動器從裝備中分離出來，使測試更加便利。此類測試系統(tǒng)完全根據(jù)伺服驅(qū)動器在實際運行中進行測試，因此測試結(jié)論更加貼近實際情況。但是由于許多伺服驅(qū)動器在制造和裝配方面的特點，此類測試系統(tǒng)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(xiàn)故障，也會給伺服驅(qū)動器的工作狀態(tài)造成不良影響，最終影響其測試結(jié)果。

　　伺服驅(qū)動器簡單地說：是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。下面本文就為大家介紹一下伺服驅(qū)動器的工作原理。

　　伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化；功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)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，在主回路中還加入了軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

　　伺服驅(qū)動器工作原理圖

　　首先功率驅(qū)動單元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(yīng)的直流電。經(jīng)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(qū)動交流伺服電機。功率驅(qū)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(qū)動器一般都有三種控制方式：位置控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式、速度控制方式。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(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)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(yīng)用于定位裝置。

　　轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)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(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(zhì)的手里有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

　　速度模式通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)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號給上位反饋以做運算用。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(zhuǎn)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。

　　■如果對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恒轉(zhuǎn)矩，當然是用轉(zhuǎn)矩模式。

　　■ 如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉(zhuǎn)矩不是很關(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閉環(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，采用位置控制方式。伺服進給系統(tǒng)的要求

　　PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢。）