伺服驅(qū)動器原理應(yīng)用及選型

　　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(jī)的一種控制器，其作用類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)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)的伺服驅(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當(dāng)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。

　　在伺服驅(qū)動器速度閉環(huán)中，電機(jī)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(yán)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。

　　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(hù)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(jìn)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(jī)。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?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰Ｋ欧?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(jìn)行賦值，由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。

　　轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)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(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(jìn)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(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)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(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)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。

　　伺服驅(qū)動器廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)領(lǐng)域、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域等。

　　1、選擇一款合適的伺服驅(qū)動器需要考慮到各個方面，這主要根據(jù)系統(tǒng)的要求來選擇，在選型之前，首先分析以下系統(tǒng)需求，比如尺寸、供電、功率、控制方式等，為選型定下方向。

　　2、驅(qū)動器支持的電機(jī)類型，一般為直流有刷、正弦波、梯形波等，還有就是驅(qū)動器的持續(xù)輸出電流要大于電機(jī)的額定電流，根據(jù)電機(jī)反電動勢、最大轉(zhuǎn)速考慮驅(qū)動器是否可以勝任。

　　3、反饋元件，反饋傳感器也是種類繁多，根據(jù)是否要做閉環(huán)，選擇反饋傳感器，編碼器、測速電機(jī)、旋變等。如果系統(tǒng)中帶有反饋元件，這時候在選擇驅(qū)動器時就要考慮驅(qū)動器是否支持這種反饋，反饋種類，或者是反饋的信號輸出形式。

　　4、伺服驅(qū)動器有三種控制方式：力矩、速度、位置模式。工作在這幾種模式下命令形式也不一樣，力矩和速度模式可通過模擬量命令控制，位置模式可使用脈沖+方向控制。當(dāng)然還有總線形式，比如Ethercat等。

　　5、精度要求，系統(tǒng)的精度有多個影響因素，伺服驅(qū)動器也是其中重要的一環(huán)，一般伺服驅(qū)動器分為數(shù)字伺服驅(qū)動器和線性伺服放大器，線性放大器適用于低噪聲、高帶寬以及電流過零時無失真的場合。

　　6、供電和使用環(huán)境，供電方面主要是直流和交流供電，有時候還要考慮驅(qū)動器對供電電源的要求。使用環(huán)境，主要是考慮溫度方面的影響，還有就是工況，是否需要防護(hù)罩等。