什么是伺服驅動器？伺服驅動器基礎知識問與答

什么是伺服驅動器？伺服驅動器基礎知識問與答

交流伺服驅動器別名：伺服驅動器，伺服電機驅動器，伺服馬達驅動器，全數(shù)字交流伺服驅動器，Servo drive Servo motor。

關于伺服的應用：首先得確定你應用在什么場合。如果用在機床上，則控制部分硬件可以設計得相對簡單一些，成本也相應低些。如果用于軍工，則內部固件設計時控制算法應該更靈活，比如提供位置環(huán)濾波、速度環(huán)濾波、非線性、最優(yōu)化或智能化算法。當然不需要在一個硬件部分上實現(xiàn)。可以面向對象做成幾種類型的產品。

交流伺服在加工中心、自動車床、電動注塑機、機械手、印刷機、包裝機、彈簧機、三坐標測量儀、電火花加工機等等方面的設備有廣闊的應用。　　

　　關于步進電機和交流伺服電機的性能有較大差別。步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術有著本質的聯(lián)系。在目前國內的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。

　　雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。如：1、控制精度不同；2、低頻特性不同 3、矩頻特性不同 4、過載能力不同 5、運行性能不同 6、速度響應性能不同。

　　交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當?shù)目刂齐姍C。

　　有關伺服零點開關的問題：找零的方法有很多種，可根據(jù)所要求的精度及實際要求來選擇。可以伺服電機自身完成（有些品牌伺服電機有完整的回原點功能），也可通過上位機配合伺服完成，但回原點的原理基本上常見的有以下幾種。

一、伺服電機尋找原點時，當碰到原點開關時，馬上減速停止，以此點為原點。

二、回原點時直接尋找編碼器的Z相信號，當有Z相信號時，馬上減速停止。這種回原方法一般只應用在旋轉軸，且回原速度不高，精度也不高。

       同步帶的安裝對伺服定位也有很大影響嗎？這個情況，得知道伺服是不是調得很軟？常見伺服是用脈沖控制的，那么，位置環(huán)的比例增益，速度環(huán)比例增益、積分時間常數(shù)分別是多少？

位置環(huán)比例增益：21rad/s

速度環(huán)比例增益：105rad/s

速度環(huán)積分時間常數(shù)：84ms

　　關于伺服的三種控制方式,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 。想知道的就是這三種控制方式具體根據(jù)什么來選擇的?

　　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(jù)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，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）；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(xiàn)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(shù)值來實現(xiàn)。

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(jù)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(shù)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(shù)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。

　　怎樣判斷伺服電機與伺服驅動器的故障區(qū)別？

      看驅動器上的錯誤、報警號，然后查手冊。如果連報警都沒有了，那自然就是驅動器故障，當然，還有可能是根本伺服就沒有故障，而是控制信號錯誤導致伺服沒有動作。

除了看驅動器上的錯誤、報警號，然后查手冊外，有時最直接判斷方法是更換，如X與Z軸伺服換（型號相同才可以）。或修改參數(shù)，如把X軸鎖住，不讓系統(tǒng)檢測X軸

但應注意：X軸與Z軸互換，即使型號相同，進口設備也可能因為負載不同、參數(shù)不同而產生問題。當然，如果是國產設備，通常不會針對使用情況調整伺服參數(shù)，一般不會有問題。但應注意X軸與Z軸電機功率轉矩是否相同、電機絲桿是否直聯(lián)以及電子齒輪減速比方面事宜。

關于交流伺服電機的幾個問題：

問（A）：交流同步伺服、交流異步伺服的額定轉速與極數(shù)是否有關？n1=60f/2p？額定轉速以下輸出恒轉矩，額定轉速以上恒功率，那么額定轉速的界定是由電機本身的機械決定還是驅動器來決定？

有關，同步轉速n1=60f/2p，異步機還有滑差s，n=(1-s)n1，同步機n=n1，2p為極對數(shù)。控制中弱磁速度的界定是由驅動器判斷的。

額定轉速可以由幾個方面決定：同步伺服的反電勢高低、電機鐵心材料允許的驅動電流交變頻率、額定轉矩下電機的最大功率、最高溫升等，最主要還是反電勢；異步電機主要受材料允許的最高頻率以及極對數(shù)限制。

額定轉速的界定由電機本身的機械和電器特性來決定。

問（B）：交、直流伺服的區(qū)分是否取決于驅動器與電機間的電流或電壓的形式？但直流無刷伺服的電流方向也變化？是否可以理解為交流？交流伺服是否是以直流無刷伺服的原理為基礎演變的？

　 答：交流伺服通常指以正弦波驅動方式的伺服，無刷驅動相當于整流子數(shù)為6（7）的有刷直流電機的控制精度，一般低速特性較差。商業(yè)上也有稱他為交流伺服，僅因為他甩掉了電刷，但特性恐怕比好的交流伺服、直流伺服有差距，10000倍的調速比無刷電機絕難達到。

直流無刷馬達其實是自控式永磁同步馬達的一種，不過是矩形波供電，而通常說的永磁同步馬達是正弦波供電的。之所以說是“直流電機”，主要考慮到無刷馬達的控制器相當于直流有刷馬達的電刷和換向器，實現(xiàn)“電子換向”，從直流母線側看相當于直流電機。

直流伺服用于直流電機，不是直流無刷電機；直流無刷電機與交流伺服電機其實是一回事，就是交流同步電機（交流永磁同步伺服電機）。

問（C）：電機的極對數(shù)？

　　 答：n1=60*f/2p

　　 p一般表示電機的極對數(shù)數(shù)，2p是極數(shù)。

1對極包括N極和S極，極數(shù)當然是極對數(shù)的兩倍。

同步電機機械轉速=60*運行頻率/極對數(shù)；

異步電機機械轉速=60*運行頻率*（1-滑差率）/極對數(shù)

交流伺服電動機應用趨勢

       自動控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應用器件上也日新月異。模塊化、數(shù)字化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環(huán)控制而無法準確定位，電動機本身還有速度諧振區(qū)，pwm調速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結構復雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。目前，新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。

交直流伺服電機系統(tǒng)

　　下面從功率驅動、性能、保護電路等方面，敘述其和直流伺服電機系統(tǒng)的不同特點。

功率驅動

　　對于在雷達上經常使用的直流伺服系統(tǒng)的驅動電動機功率放大部分，當天線重量輕，轉速慢，驅動功率較小時，一般為幾十瓦，可以直接用直流電源控制電動機。當驅動功率要求在近千瓦或千瓦以上時，選擇驅動方案，也即放大直流電動機的電樞電流，就是設計伺服系統(tǒng)的重要部分。大功率直流電源目前采用較多的有:晶體管功放、晶閘管功放和電機放大機等等。對于千瓦級的晶體管功放使用的較少。可控硅技術在上世紀60～70年代初得到快速的發(fā)展和廣泛的應用，但因當時的各方面原因，如可靠性等，不少產品放棄了可控硅控制。目前的集成驅動模塊一般都為晶體管或晶閘管制造。電機放大機是傳統(tǒng)的直流伺服電機的功放裝置，因其控制簡單，結實耐用，目前的新型號的雷達產品上仍有采用。下面主要以放大電機為例，和交流伺服電機比較其優(yōu)缺點。

　　放大電機常稱為擴大機，一般是用交流異步感應電動機拖動串聯(lián)的兩級直流發(fā)電機組，以此來實現(xiàn)直流控制。兩組控制繞組，每組的輸入阻抗為幾千歐，若串接使用輸入阻抗約10千歐，一般為互補平衡對稱輸入，當系統(tǒng)輸入不為零時打破其平衡，使放大電機有輸出信號。當輸入電流為十幾到幾十毫安時其輸出可達100v以上的直流電壓和幾安到幾十安的電流，直接接到直流伺服電機的電樞繞組上。其主要缺點是體積重量大，非線性度，尤其在零點附近不是很好，這對于要求高的系統(tǒng)需要仔細處理。

　　而交流伺服電機都配有專門的驅動器，它在體積和重量上遠小于同功率的放大電機，它靠內部的晶體管或晶閘管組成的開關電路，根據(jù)伺服電機內的光電編碼器或霍爾器件判斷轉子當時的位置，決定驅動電機的a、b、c三相應輸出的狀態(tài)，因此它的效率和平穩(wěn)性都很好。所以不像控制放大電機需要做專門的功放電路。這種電機一般都為永磁式的，驅動器產生的a、b、c三相變化的電流控制電機轉動，因此稱為交流伺服電機;驅動器輸入的控制信號可以是脈沖串，也可以是直流電壓信號（一般為±10v），所以也有將其稱為直流無刷電動機。

兩種電機的簡單試驗比較

　　對兩種電機作過簡單的試驗比較:只要將系統(tǒng)原先的直流誤差信號直接接入交流伺服驅動器的模擬控制輸入端，用交流伺服電機和它的驅動器代替原先的差分功放、電機放大機和直流伺服電機，而控制部分和測角元件等均不變，簡單比較兩種方案的輸出特性。

　　原先的直流伺服電機，額定電壓為100v，額定轉速為3000r/min，空載啟動電壓為2v，空載時，當其輸入電壓為1 v電機不轉，輸入電壓為2～2.5v時，眼睛可觀察到電機轉速不勻，這是因為碳刷、油封等以及力矩角引起的不可避免的現(xiàn)象。而交流伺服電機因為無碳刷使其摩擦力小，還因為霍爾器件的存在而使其電磁力始終垂直于旋轉半徑（這既是所謂的正弦控制），從而其低速性能明顯優(yōu)于前者。當時將其轉速放在很低，用肉眼很難分辨電機的轉動，只能通過它自己的軟件界面觀察指示的電樞位置在轉動，也觀察不到爬行現(xiàn)象發(fā)生，用手也感覺不到有特性軟的現(xiàn)象，原先直流系統(tǒng)低速要求為0.1°/s，若用交流電機估計低速至少可到0.01°/s。采用交流伺服系統(tǒng)，是對低速性能要求高的系統(tǒng)最為簡單可行的方法。

交流伺服電機的輸出特性畫法也和直流伺服電機完全不同，它不是負斜率的一組直線，而是幾乎畫成矩形。這也說明了輸出特性硬，速度范圍寬。

安全保護

較大天線伺服系統(tǒng)的保護應是一個重要的設計環(huán)節(jié)，因為一旦失控，可能引起重大的設備損壞或人身事故。國外有些雷達在這方面有十種左右的保護措施，如某些系統(tǒng)的門打開后將使伺服電機不能啟動等。

      過流過載保護電路的敏感元件最好設計在靠近電機的直接控制部分，但這里的電流很大，使設計有一定的困難。常用的熔斷器、熱繼電器等器件，往往因其升溫到動作完成須有一定的時間，使其對瞬間就損壞設備的故障不能起到保護作用。例如曾經因某型號雷達跟隨器的運放失效而使電容充電時間加長，平常還不容易發(fā)現(xiàn)此類故障，從而使測角元件雙通道電感移相器的粗精糾錯部分出錯，因此輸出的天線角度值疊加了一個粗大誤差，（粗精比為1:32，粗大誤差為11°15′）并反復出現(xiàn)，稱之為“跳大點”。因系統(tǒng)的開環(huán)增益在兩千倍以上，當隨動系統(tǒng)判斷到這個大失調角時，以最大的加速度達到最大的速度，去追趕這個失調角，從而使電機高速旋轉時突然判斷反轉，這不但很容易引起永磁電機退磁使性能降低，當時還使減速機徹底損壞，但是這時熔斷器、熱繼電器等無一動作。現(xiàn)在采用數(shù)字計算機可以較容易的判斷這類現(xiàn)象，但因干擾、通訊等原因，不能將此類寶完全押在計算機上。而交流伺服電機，數(shù)據(jù)處理芯片安裝在驅動器內，驅動器的i/o口都經過光耦隔離，因此可靠性好;并有許多現(xiàn)成可用的功能方便使用，如力矩電流限制，速度限制，加速度限制等等。

　　直流電機的額定過載線，如果不外接專門的限制斷路器件，則額定線僅僅是在圖上畫出的，傳遞函數(shù)中并無此飽和線，頂多也就是超過此線后線性度可能有所降低。而交流電機的額定過載線卻是實實在在的存在，一旦超過此線則系統(tǒng)立即停止。因此，一來可靠的保護了系統(tǒng)不會損壞，二來設計時要注意這個區(qū)別，尤其是不能隨便停機的系統(tǒng)，電機的功率要有足夠的余量。

控制方法

采用交流伺服電機，可以使控制部分的設計簡單，也可以容易的代替原先系統(tǒng)的驅動電機部分。系統(tǒng)構成典型的方法是:

上位機如pc機、plc、嵌入機等;隨動系統(tǒng)中主要用于調試系統(tǒng)，以及完成系統(tǒng)通訊，信號采集等其他任務，控制任務可以放在上位機內，也可放在控制器中;

多軸控制器，一般可控制2至8個軸，可構成方位、俯仰、橫滾等軸的控制，對于單軸控制，常使用帶控制器的驅動器，可省去這一項;

驅動器，多為專用的，和電機配套出售;電動機。

　　總之，采用這種方案，可以省去許多硬件電路和軟件計算編程工作，實現(xiàn)模塊化，提高了可靠性和可維修性。

　　各種型號的控制器都有各自的語言，也可以用visual basic等熟悉的環(huán)境來編制用戶程序。設計有各種各樣的軟件模塊以方便使用。如控制模式:pid調節(jié)、直線及圓弧插補、電子齒輪、比例轉換、前饋控制、再生電阻等等，魯棒性能好。它們多數(shù)是為像生產線或數(shù)控機床這樣的程序控制系統(tǒng)而設計的。對于位置跟蹤的隨動系統(tǒng)，雖然許多功能用不上，但也可以模擬輸入功能或力矩控制模式，方便的將驅動器和電機插入原有的伺服系統(tǒng)，代替直流伺服電機，也可以直接用數(shù)字信號，采用點動模式工作。這種電機系統(tǒng)一般都帶有幾個濾波器，包括相位滯后補償濾波器、速度反饋濾波器和陷波濾波器，用于伺服調節(jié)時使用。有些型號電機的濾波器需要可選的硬件支持。