伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機的一種控制器，伺服驅(qū)動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，那我們怎么選擇伺服驅(qū)動器呢。

　　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)比較復雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。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。

　　伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術的高端。

　　伺服驅(qū)動器的規(guī)格與選擇

　　伺服驅(qū)動系統(tǒng)的應用非常廣泛，舉凡需要做速度控制、位置控制、軌跡控制、追蹤控制與同步運轉(zhuǎn)控制等場合，都是它主要的應用范圍。在不同的運用場合雖然要求的特性規(guī)格與操作界面會有所不同，但其應用方法與控制原理可說是大同小異。本文將說明直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成，伺服系統(tǒng)要求規(guī)格，驅(qū)動器的規(guī)格、型式、特性與工作原理，最后再介紹一些應用實例。

　　一個伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構如圖1所示，通常包含三個主要部份：伺服電動機、速度回路驅(qū)動器與位置回路控制器。伺服電機可根據(jù)應用的需要而決定是否加裝轉(zhuǎn)速計(tachometer)、光編碼器(photo encoder)或剎車(braker)。

　　一般商品化的伺服驅(qū)動器即是指速度回路驅(qū)動器，其中包含了功率放大器與速度回路控制器，并包含適當?shù)膽媒缑骐娐?，因而能夠根?jù)應用場合做適當?shù)慕M合。位置控制器一般包含位置控制器與計算機或數(shù)字界面，亦包含一些較高層次的位置命令與參數(shù)調(diào)整等界面設定，通常為一可單獨銷售的產(chǎn)品。

　　附錄A為日本山洋(SANYO)公司出品的PDT系列直流伺服驅(qū)動器的規(guī)格書，其主要規(guī)格如表1所列。以PDT-093-10為例，其配合直流伺服 電機為SM60-201，轉(zhuǎn)子慣量為0.27×10-3Kg.cm sec2。主回路(main circuit)是指其功率級所采用的功率轉(zhuǎn)換方式，為晶體管脈寬調(diào)變(PWM)型，可逆是指可工作于正反轉(zhuǎn)，因此可工作于四象限工作區(qū)。

　　減定規(guī)格(wave factor) 或稱之為 derating factor 為波形率(form factor)的倒數(shù)。

　　直流伺服驅(qū)動器的wave factor系指其輸 出電流的平均值與rms的比值，其越接近1越好，這表示其漣波電流越小，所造成的rms扭矩損也就越小，因此系統(tǒng)的效率也就越高。

　　大多數(shù)的直流伺服驅(qū)動器均為模擬電壓的轉(zhuǎn)速輸入命令，輸入命令電壓通常介于±10V，輸入阻抗通常為10KΩ。一般工業(yè)級伺服驅(qū)動器的瞬時最大輸出電流約為其額定輸出電流的2～3倍，瞬時最大輸出電流直接關系到驅(qū)動系統(tǒng)的加速能力、伺服剛性與頻寬，因此是重要的性能指針。

　　在選定伺服驅(qū)動器時，其速度控制范圍與速度調(diào)節(jié)(speed regulation)的能力亦是重要的考慮因素。速度控制范圍直接影響到低速與高速運動的能力，一般的伺服驅(qū)動器其速控比(最高轉(zhuǎn)速/最低轉(zhuǎn)速)通常大于1000。

　　速度調(diào)節(jié)主要是指在環(huán)境變動或負載波動下其維持定速的能力，定義的項目通常包含：負載變動、電源電壓變動與溫度變動。反應時間(response time)為瞬時響應的重要指標，0-1000 rpm的反應時間為一般參考標準。

　　在額定負載下的最高轉(zhuǎn)速反應時間，在設計位置回路控制器時亦為重要的參考指標。加減速特性主要指在最高轉(zhuǎn)速的步階響應其加減速的特性，圖2(a)為直線一段加減速，圖2(b)為直線兩段加減速， 圖2(c)為指數(shù)曲線加減速。一般的伺服驅(qū)動器均為直線一段線性加速，但亦可根據(jù)實際應用需要選擇不同加速曲線的驅(qū)動器，或在外回路位置控制加以修改。

　　由于伺服驅(qū)動系統(tǒng)大多應用于高精密快速響應的轉(zhuǎn)速或位置控制系統(tǒng)，因此其閉回路特性就相當重要，表1的閉回路特性包含了：位置剛度(position stiffness)、1000 rpm時的回路增益(loop gain)與最高轉(zhuǎn)速(2400 rpm)時的回路增益。

　　型 式 Type 單位 PDT-093-10 PDT-093-20 PDT-093-30

　　配適電機 Matching DC Servo Motor - SM60-201 SM80-201 U505T-002

　　轉(zhuǎn)子貫量 Rotor Inertia Kg.cm.sec2 0.27 × 10-3 1.1 × 10-3 0.39 × 10-3

　　電 源 Power Reruirements - AC200/220 ±10%, 50/60Hz, 單相

　　電源電流 Line Current A 1.5 2 1

　　周圍條件 Enviromental Spec. - 溫度：0~50C 濕度：35~85%

　　主 回 路 Main Circuit - 晶體管PWM四象限

　　減定格率 Wave Factor % 95 以上

　　速度回授 Speed Feedback - MCTG相當(3V±5%/1000rpm) 7V+3V,

　　-0V/1000rpm

　　輸 入

　　Input 指令電壓 Command V. V/1000rpm DC±3

　　Input Impedance 約10

　　最大出力電壓 Max. Output V. V DC±130 DC±130 DC±130

　　額定輸出電壓 Rated Output Cur. A DC±1.5 DC±2 DC±1.1

　　瞬時最大輸出電流.

　　Max. Inst. Output Cur. 高速時 A DC±3 DC±4.5 DC±2.5

　　額定扭矩

　　Rated Torue 1000rpm Kg.cm 27 6 1.3

　　最高速度 Kg.cm 27 6 1.3

　　瞬時最大扭矩

　　Max. Inst. Torque 0~1000rpm Kg.cm 5.3 14 3.7

　　1000rpm~Max. Speed Kg.cm 5.3 14 3.7

　　速度控制范圍 Speed Cntrol Range rpm 2400~1 1200~1 3000~1

　　速度變動

　　Speed Variation 負荷變 動 0~100% rpm 0.01

　　電源電壓變動 ±10 rpm 0.01

　　溫度變動 0~50C rpm 0.5

　　反應時間

　　Response Time 01000rpm(90%) ms 10 13 15

　　0最高速率 (90%) ms 30 16 45

　　加減速特性 Accel.Dclr. Chrst. - 直線1段

　　閉路特性

　　Closed Loop Chrst. Posn. Stiffness Kg.cm/0.01 3.5 10 2.5

　　Loop Gain (1000rpm) sec-1 120 120 120

　　Loop Gain (Max. Speed) sec-1 70 70 70

　　外部電流限制 External Cur. Limit -

　　保護機能 Protection - 電源電壓低下、過速度、過電流、過負荷、TG異常

　　重 量

　　Weight Servo Ampl. kg 1.0 1.0 1.0

　　Power Xfmr. kg 5.5 5.5 4.0

　　Choke Coil kg

　　假設一個伺服驅(qū)動系統(tǒng)的速度控制回路的回路轉(zhuǎn)換函數(shù)(loop transferfunction)為GLV(s)，則其靜態(tài)回路增益(static loop gain)為即為其位置誤差常數(shù)(position error constant)。

　　實際的控制系統(tǒng)均有某一個程度的非線性特性，因此在實際量測一個控制系統(tǒng)的回路增益時均是在閉路控制的情況下，選擇一個工作點再利用頻率響應分析儀(frequency response analyzer)量測其小信號的回路增益，因此測試結(jié)果常標示其工作點。

　　直流伺服驅(qū)動器本身受到輸出電壓電流的限制，因此也可以說是一個非線性控制系統(tǒng)，當電機輸出扭矩與轉(zhuǎn)速愈高時，所受到的非線性限制也就愈大，因此在轉(zhuǎn)速較高的工作點所測得的回路增益一般均較小。

　　選擇伺服驅(qū)動器時應注意伺服驅(qū)動器與其所配對的電機的扭矩/轉(zhuǎn)速工作區(qū)，如圖4所示。圖5為直流伺服驅(qū)動器與直流伺服電機的基本接線圖。為了降低電樞線圈的漣波電流，可加上一個扼流圈(choke)與 電機線圈串聯(lián)，但如此也會加長電機的電氣時間常數(shù)(electrical time constant)，而降低了動態(tài)響應的性能，在使用上需整體考慮。

　　主電源的隔離變壓器可提供電壓匹配與隔離的功能，但體積大且笨重，在選擇時需多加考慮。一般功率較大的驅(qū)動器其功率級與信號級均完全隔離以避免 di/dt 與 dv/dt 噪聲的干擾，這類的驅(qū)動器與市電連接時可不必再多加隔離變壓器。

　　直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特性

　　一個較完整的直流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括傳動機械在內(nèi)，其控制方塊圖如圖6所示。中央的虛線部份為直流伺服電機的

　　選型步驟大體如下：

　　1.需求分析。

　　確定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速精度或定位精度、安裝尺寸、是否需要閉環(huán)、成本;

　　2.選擇電機。

　　首先確定電機類型;

　　然后根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、安裝尺寸選擇電機;

　　3.選擇反饋元件

　　根據(jù)是否需要閉環(huán)，決定是否選用反饋元件，如編碼器、測速機、旋變等;

　　根據(jù)轉(zhuǎn)速精度或定位精度選擇反饋元件的類型及參數(shù)。

　　4.選擇驅(qū)動器。

　　根據(jù)電機功率，和以上綜合因素選擇驅(qū)動器;

　　選擇驅(qū)動器時，不僅需考慮和電機的匹配，還需考 慮控制方式。選擇適合自己控制器的控制方式，也很重要。

　　主要視具體應用情況而定，簡單地說要確定：負載的性質(zhì)(如水平還是垂直負載等)，轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速等要求，上位控制要求(如對端口界面和通訊方面的要求)，主要控制方式是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式。供電電源是直流還是交流電源，或電池供電，電壓范圍。據(jù)此以確定電機和配用驅(qū)動器或控制器的型號。

　　選擇合適的伺服電機系統(tǒng)需要知道的技術數(shù)據(jù)有：

　　1。力矩范圍 中小力矩(一般在20Nm以下) 小中大，全范圍

　　2。速度范圍 低(一般在2000RPM以下，大力矩電機小于1000RPM) 高(可達5000RPM),直流伺服電機更可達1~2萬轉(zhuǎn)/分

　　3?？刂品绞?主要是位置控制 多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式

　　4。。平滑性 低速時有振動(但用細分型驅(qū)動器則可明顯改善) 好，運行平滑

　　5。精度 一般較低，細分型驅(qū)動時較高 高(具體要看反饋裝置的分辨率)

　　6。矩頻特性 高速時，力矩下降快 力矩特性好，特性較硬

　　7。過載特性 過載時會失步 可3~10倍過載(短時)

　　8。反饋方式 大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步 閉環(huán)方式，編碼器反饋

　　9。編碼器類型 - 光電型旋轉(zhuǎn)編碼器(增量型/絕對值型)，旋轉(zhuǎn)變壓器型

　　10。響應速度 一般 快

　　11。耐振動 好 一般(旋轉(zhuǎn)變壓器型可耐振動)

　　12。溫升 運行溫度高 一般

　　13。維護性 基本可以免維護 較好

　　14。價格 低 高

　　伺服系統(tǒng)分直流伺服和交流伺服。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。

　　有刷電機成本低，結(jié)構簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便(換碳刷)，產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

　　無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

　　交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用，以上就是關于怎么選擇伺服驅(qū)動器的介紹。