淺談伺服驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及其原理應(yīng)用

　　伺服驅(qū)動(dòng)器

　　伺服驅(qū)動(dòng)器（servo drives）又稱(chēng)為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類(lèi)似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，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(guò)位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)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(dòng)器速度閉環(huán)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)速度測(cè)量精度對(duì)于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速控制動(dòng)靜態(tài)特性至關(guān)重要。為尋求測(cè)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(cè)速傳感器，與其對(duì)應(yīng)的常用測(cè)速方法為M/T測(cè)速法。M/T測(cè)速法雖然具有一定的測(cè)量精度和較寬的測(cè)量范圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：1）測(cè)速周期內(nèi)必須檢測(cè)到至少一個(gè)完整的碼盤(pán)脈沖，限制了最低可測(cè)轉(zhuǎn)速；2）用于測(cè)速的2個(gè)控制系統(tǒng)定時(shí)器開(kāi)關(guān)難以嚴(yán)格保持同步，在速度變化較大的測(cè)量場(chǎng)合中無(wú)法保證測(cè)速精度。因此應(yīng)用該測(cè)速法的傳統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)方案難以提高伺服驅(qū)動(dòng)器速度跟隨與控制性能 。

　　工作原理

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

　　可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)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(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

　　隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器使用、伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來(lái)越多工控技術(shù)服務(wù)商對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)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(jìn)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(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性

　　4、快速響應(yīng)，無(wú)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(hào)的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，減小輪廓過(guò)渡誤差。

　　5、低速大轉(zhuǎn)矩，過(guò)載能力強(qiáng)

　　一般來(lái)說(shuō)，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過(guò)載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過(guò)載4～6倍而不損壞。

　　6、可靠性高

　　要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。

　　對(duì)電機(jī)的要求

　　1、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。

　　2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4～6倍而不損壞。

　　3、為了滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。

　　4、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

　　測(cè)試平臺(tái)

　　目前，伺服驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試平臺(tái)主要有以下幾種：采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對(duì)拖的測(cè)試平臺(tái)、采用可調(diào)模擬負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)、采用有執(zhí)行電機(jī)而沒(méi)有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)、采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)和采用在線測(cè)試方法的測(cè)試平臺(tái) 。

　　1采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對(duì)拖的測(cè)試平臺(tái)

　　這種測(cè)試系統(tǒng)由四部分組成，分別是三相PWM整流器、被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及上位機(jī)，其中兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器互相連接。被測(cè)電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來(lái)控制整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)速，負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過(guò)控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的電流來(lái)改變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，模擬被測(cè)電機(jī)的負(fù)載變化，這樣互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)節(jié)，完成各種試驗(yàn)功能測(cè)試。上位機(jī)用于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，根據(jù)試驗(yàn)要求向兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令，同時(shí)接收它們的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。

　　對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng)，采用高性能的矢量控制方式對(duì)被測(cè)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載設(shè)備分別進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩控制，即可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能，完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。但由于使用了兩套伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，所以這種測(cè)試系統(tǒng)體積龐大，不能滿(mǎn)足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測(cè)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(fù)載的測(cè)試平臺(tái)

　　這種測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、可調(diào)模擬負(fù)載及上位機(jī)?？烧{(diào)模擬負(fù)載如磁粉制動(dòng)器、電力測(cè)功機(jī)等，它和被測(cè)電動(dòng)機(jī)同軸相連。上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)控制可調(diào)模擬負(fù)載來(lái)控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)可調(diào)模擬負(fù)載進(jìn)行控制，也可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能，完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。但這種測(cè)試系統(tǒng)體積仍然比較大，不能滿(mǎn)足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測(cè)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(jī)而沒(méi)有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)

　　這種測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成，分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器按照指令開(kāi)始運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。由于這種測(cè)試系統(tǒng)中電機(jī)不帶負(fù)載，所以與前面兩種測(cè)試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)體積相對(duì)減小，而且系統(tǒng)的測(cè)量和控制電路也比較簡(jiǎn)單，但是這也使得該系統(tǒng)不能模擬伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)行情況。通常情況下，此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)僅用于被測(cè)系統(tǒng)在空載情況下的轉(zhuǎn)速和角位移的測(cè)試，而不能對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。

　　4采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)

　　這種測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)固有負(fù)載及上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服系統(tǒng)按照指令開(kāi)始運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。

　　對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng)，負(fù)載采用被測(cè)系統(tǒng)的固有負(fù)載，因此測(cè)試過(guò)程貼近于伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際工作情況，測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確。但由于有的被測(cè)系統(tǒng)的固有負(fù)載不方便從裝備上移走，因此測(cè)試過(guò)程只能在裝備上進(jìn)行，不是很方便。

　　5采用在線測(cè)試方法的測(cè)試平臺(tái)

　　這種測(cè)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(dòng)器在裝備中的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集和調(diào)理，然后送給數(shù)據(jù)處理單元供其進(jìn)行處理和分析，最終由數(shù)據(jù)處理單元做出測(cè)試結(jié)論。由于采用在線測(cè)試方法，因此這種測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且不用將伺服驅(qū)動(dòng)器從裝備中分離出來(lái)，使測(cè)試更加便利。此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)完全根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行測(cè)試，因此測(cè)試結(jié)論更加貼近實(shí)際情況。但是由于許多伺服驅(qū)動(dòng)器在制造和裝配方面的特點(diǎn)，此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)中的各種傳感器及信號(hào)測(cè)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(huì)給伺服驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)造成不良影響，最終影響其測(cè)試結(jié)果。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單地說(shuō)：是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類(lèi)似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，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(guò)位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)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(dòng)器的工作原理。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)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(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，在主回路中還加入了軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。

　　伺服驅(qū)動(dòng)器工作原理圖

　　首先功率驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程，整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐?。伺服?qū)動(dòng)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(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值，由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很?chē)?yán)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(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的手里有嚴(yán)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(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

　　速度模式通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

　　■如果對(duì)電機(jī)的速度、位置都沒(méi)有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。

　　■ 如果對(duì)位置和速度有一定的精度要求，而對(duì)實(shí)時(shí)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(huì)好一點(diǎn)，如果本身要求不是很高，或者基本沒(méi)有實(shí)時(shí)性的要求，采用位置控制方式。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求

　　PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)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(shì)。）