伺服與變頻

伺服的基本概念是準(zhǔn)確，精確，快速定位。

變頻是伺服控制一個(gè)必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動(dòng)器同樣存在變頻（進(jìn)行無(wú)極調(diào)速），伺服將電流環(huán)，速度環(huán)，位置環(huán)都閉合進(jìn)行控制，這是很大的區(qū)別。

另外伺服電機(jī)要滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確定位，其結(jié)構(gòu)與普通電機(jī)會(huì)存在較大的差異。

現(xiàn)在市面上常用的交流伺服電機(jī)多為永磁同步交流伺服電機(jī)，但這種電機(jī)受到工藝限制，很難做到很大功率，幾十kw的伺同步伺服價(jià)格及其昂貴。這種情況下現(xiàn)場(chǎng)允許的話多采用交流異步伺服電機(jī)。這時(shí)很多驅(qū)動(dòng)器實(shí)際就是高端變頻器，帶編碼器反饋閉環(huán)控制，只要滿足準(zhǔn)確精確快速定位，實(shí)際就不存在伺服變頻之爭(zhēng)。

伺服與變頻共同點(diǎn)

首先交流伺服技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻技術(shù)，在直流電機(jī)伺服控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)變頻的PWM方式模仿直流電機(jī)的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是交流伺服電機(jī)必有變頻這一環(huán)節(jié)， 變頻：就是將工頻50hz或者60hz的交流電先整成直流電，然后通過(guò)可控門極的各類晶體管（IGBTIGCT），通過(guò)載波頻率和pwm調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的，波形類似于正余弦的脈動(dòng)電。

因?yàn)轭l率可調(diào)，那么速度也是可調(diào)的n=60f/p， n轉(zhuǎn)速，單位rpm，f頻率，p極對(duì)數(shù)）

變頻器：簡(jiǎn)單變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機(jī)的速度，這時(shí)可以開環(huán)也可以閉環(huán)，要視變頻器和控制方式而定，這就是傳統(tǒng)意義上的V/F控制方式。

現(xiàn)在很多變頻器已經(jīng)通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立，將交流電機(jī)的定子磁場(chǎng)uvw 3相轉(zhuǎn)化為可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的2個(gè)電流的分量，現(xiàn)在能進(jìn)行力矩控制的大多數(shù)品牌變頻器都是采用這樣的方式控制電機(jī)的力矩，UVW每相的輸出要加霍爾效應(yīng)的電流檢測(cè)裝置，采樣反饋后構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋的電流環(huán)的PID調(diào)節(jié)。

伺服

伺服驅(qū)動(dòng)器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流環(huán)，速度換和位置環(huán)（變頻器沒有位置環(huán)）都進(jìn)行了比一般變頻器更精確的控制技術(shù)和算法運(yùn)算，在功能上也比傳統(tǒng)的變頻器強(qiáng)大很多，主要的一點(diǎn)可以進(jìn)行精確的位置控制，

通過(guò)上位控制器發(fā)送的脈沖序列，來(lái)控制位置和速度，（當(dāng)然有些伺服內(nèi)部集成了控制單元或者通過(guò)總線通訊的方式直接將位置參數(shù)和速度參數(shù)設(shè)定在驅(qū)動(dòng)器里），驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部算法和更快更精準(zhǔn)的計(jì)算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)于變頻器。

電機(jī)方面，伺服電機(jī)的材料，結(jié)構(gòu)和加工工藝一般遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)（一般交流電機(jī)為恒功率或恒力矩的各類變頻電機(jī)）。

也就是伺服驅(qū)動(dòng)器輸出電流、電壓，頻率變化很快的電源時(shí)，伺服電機(jī)就能根據(jù)這種快速的電源變化產(chǎn)生快速的動(dòng)作響應(yīng)。所以，響應(yīng)特性和抗過(guò)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)（變頻器可以輸出快速的信號(hào)，但是普通電機(jī)本身沒法快速響應(yīng)），

交流電機(jī)分類

1）交流同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子是永磁材料構(gòu)成，定子繞組線圈通電后，形成旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子的速度=旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，此為同步。

2）交流異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子也是感應(yīng)線圈和材料組成的，通電后，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)切割感應(yīng)線圈，產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)追隨定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變化而變化，但轉(zhuǎn)子的感應(yīng)磁場(chǎng)變化永遠(yuǎn)小于定子磁場(chǎng)的變化（一旦相等感應(yīng)線圈就無(wú)法切割磁力線，感應(yīng)磁場(chǎng)，電流都會(huì)消失，）就是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度小于定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度，此為異步。

3）對(duì)應(yīng)的這兩款電機(jī)就有相應(yīng)的同步變頻器和異步變頻器（常見）。對(duì)應(yīng)伺服就有同步交流伺服電機(jī)（常見）和異步交流伺服電機(jī)。

伺服和變頻器的性能區(qū)別

變頻器，應(yīng)用于速度控制和力矩控制要求不很高的場(chǎng)合，也有在上位加位置反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)用變頻器進(jìn)行位置控制的，但精度和響應(yīng)都不高?，F(xiàn)有變頻器也有接受脈沖序列信號(hào)控制速度的，但好像不能控制位置。

在有嚴(yán)格位置控制要求的場(chǎng)合，必須要用伺服來(lái)實(shí)現(xiàn)，還有就是伺服響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于變頻器，對(duì)速度的精度和響應(yīng)要求高的長(zhǎng)和也是都選擇伺服控制?？偨Y(jié)起來(lái)，能用變頻控制的場(chǎng)合都能用伺服取代，但伺服也存在一些問題

1）價(jià)格昂貴，伺服的價(jià)格遠(yuǎn)高于變頻

2）功率問題，變頻最大能做大幾百kw，甚至更高，伺服最多做到幾十kw

伺服系統(tǒng)的選型

首先確定伺服系統(tǒng)的類型（開環(huán)，半閉環(huán)，閉環(huán)），需要選定執(zhí)行元件（電機(jī)），根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的情況，確定伺服電機(jī)的型號(hào)

伺服電機(jī)與機(jī)械負(fù)載的匹配主要有幾個(gè)方面

1）慣量匹配

等效負(fù)載慣量J的計(jì)算

旋轉(zhuǎn)機(jī)械與直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械慣量，按照能量守恒定律，通過(guò)等效換算（伺服系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)物體的慣量折算到驅(qū)動(dòng)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量），均可用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)表示。

如果一個(gè)電機(jī)，即有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)，計(jì)算方法如下：

負(fù)載慣量與電機(jī)慣量匹配原則

負(fù)載慣量JL的大小對(duì)電機(jī)的靈敏度，系統(tǒng)精度和動(dòng)態(tài)性能有明顯的影響，所以電機(jī)慣量Jm和負(fù)載慣量JL必須匹配。

不同類型的電機(jī)，匹配條件有所不同。

A）步進(jìn)電機(jī)慣量匹配原則：

步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻曲線是在電機(jī)空載下作出的，檢查其啟動(dòng)能力時(shí)應(yīng)考慮慣性負(fù)載對(duì)啟動(dòng)頻率的影響，即根據(jù)啟動(dòng)慣頻特性曲線找出其帶慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率，在查其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和計(jì)算啟動(dòng)時(shí)間。 當(dāng)啟動(dòng)矩頻曲線查不到帶慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率時(shí)，可以用如下公式近似計(jì)算

?L為帶慣性負(fù)載的最大自啟動(dòng)頻率，?m為空載啟動(dòng)最大頻率

JL為負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jm為電機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的啟動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度，通常推薦JL/Jm≤4

從公式來(lái)看，當(dāng)JL/Jm=3時(shí)，?L=0.5?m

B）直流伺服電機(jī)慣量匹配原則

直流伺服電機(jī)的慣量匹配與電機(jī)的種類及其應(yīng)用場(chǎng)合有關(guān)，通常又分下面兩種情況

首先，對(duì)于采用慣量較小的直流伺服電機(jī)系統(tǒng)，通常推薦JL/Jm≤4

電機(jī)的伺服系統(tǒng)當(dāng)JL/Jm≥3時(shí)，對(duì)電機(jī)的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間有很大的影響，甚至使伺服放大器不能在正常的范圍內(nèi)工作。

小慣量伺服電機(jī)的慣量低達(dá)Jm≈0.005kg.M2，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩慣量比大，機(jī)械時(shí)間常數(shù)小，加速能力強(qiáng)，所以其動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)快，但是，使用小慣量電機(jī)時(shí)容易發(fā)生對(duì)電源頻率的響應(yīng)共振，當(dāng)存在間隙，死區(qū)時(shí)，容易造成振動(dòng)和蠕動(dòng)。這才提出了慣量匹配原則。

其次，對(duì)于采用大慣量的直流伺服電機(jī)。通常推薦0.25≤JL/Jm≤4，所謂大慣量是相對(duì)小慣量而言的Jm≈0.1‐0.6kg.m2

大慣量寬調(diào)速直流電機(jī)的特點(diǎn)是慣量大，轉(zhuǎn)巨大，且能在低速下提供額定轉(zhuǎn)矩，常常不需要傳動(dòng)裝置就與絲桿直接連接，而且受慣性負(fù)載的影響小，調(diào)速范圍大，大慣量直流伺服電機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)達(dá)100min，比小慣量電機(jī)熱時(shí)間常數(shù)一般為2-3min長(zhǎng)得多，并允許長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，其轉(zhuǎn)矩-慣量比高于普通電機(jī)小于小慣量電機(jī)，其快速性在使用上已經(jīng)足夠。

另外交流伺服的慣量匹配與直流伺服電機(jī)的慣量匹配原則相似。

2）容量匹配

要根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的大小來(lái)確定伺服電機(jī)的容量，即電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩與被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載相匹配。選擇容量偏小的電機(jī)，則可能工作中出現(xiàn)帶不動(dòng)的現(xiàn)象，或者電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致電機(jī)壽命縮短 反之，選擇的電機(jī)容量過(guò)大，浪費(fèi)了電機(jī)的能力，提高了成本。在進(jìn)行容量匹配時(shí)，不同電機(jī)也存在不同的匹配方法

等效轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

在機(jī)械運(yùn)動(dòng)與控制中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)將其分為：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，摩擦轉(zhuǎn)矩Tf和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Ta（慣性轉(zhuǎn)矩）

Tm=TL+Tf+Ta

在伺服系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩的匹配都是對(duì)特定軸（一般指電機(jī)）的，對(duì)特定軸的轉(zhuǎn)矩稱為等效轉(zhuǎn)矩。

如果力矩作用在特定軸上，就沒必要換算，否則必須換算成等效轉(zhuǎn)矩

A）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的計(jì)算

負(fù)載轉(zhuǎn)矩根據(jù)其特征，可分為工作負(fù)載和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這里只討論負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的算法

軸2上有負(fù)載，把它換算成位于電機(jī)軸（控制軸）的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，

如果伺服系統(tǒng)有多個(gè)軸，

B）等效摩擦轉(zhuǎn)矩，控制精度要求不高，或者調(diào)整部分有富裕時(shí)，可根據(jù)類似機(jī)構(gòu)估算機(jī)械效率η，由機(jī)械效率推算等效摩擦轉(zhuǎn)矩

C）等效慣性轉(zhuǎn)矩

伺服電機(jī)容量匹配的原則

A）步進(jìn)電機(jī)

TL/Tmax≤4

TL為步進(jìn)電機(jī)工作過(guò)程中，電機(jī)軸所受到的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

Tmax為步進(jìn)電機(jī)最大靜力矩

B）交流伺服和直流伺服電機(jī)容量匹配原則

3）速度匹配

同樣功率的電機(jī)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)體積越小。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，傳動(dòng)比就會(huì)越大，這對(duì)減小伺服電機(jī)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高電機(jī)的負(fù)載能力有利，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)常工作在高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)。

但是，實(shí)際應(yīng)用中，伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝置一般需要工作在低轉(zhuǎn)速，高扭矩的狀態(tài)，所以在電機(jī)和負(fù)載裝置之間，需要減速器匹配器，在某種程度上，伺服電機(jī)與機(jī)械負(fù)載的速度匹配就是減速器設(shè)計(jì)得問題

減速機(jī)的減速比不能過(guò)大，也不能過(guò)小。減速比太小，對(duì)于減小伺服電機(jī)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有效提高電機(jī)負(fù)載能力不利；減速比太大，減速器的齒隙，彈性變形，傳動(dòng)誤差等勢(shì)必會(huì)影響到系統(tǒng)的性能，精密減速機(jī)的成本也很高 因此根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，在對(duì)負(fù)載分析的基礎(chǔ)上合理地選擇減速比，有關(guān)減速器的設(shè)計(jì)可以繼續(xù)學(xué)習(xí)

慣量系數(shù)

電機(jī)的規(guī)格選擇，低慣量還是高慣量？負(fù)載和電機(jī)之間的慣量匹配

低慣量=高加速度

牛頓定律高速我們，對(duì)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，

M=J*? M是轉(zhuǎn)矩，單位Nm，J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位kg.M2 ， ?是角加速度，單位rad/S2

?=M/J 加速度=轉(zhuǎn)矩/慣量 由此慣量越小，加速度越大

低慣量電機(jī)特點(diǎn)：允許高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)

增加系統(tǒng)帶寬，也增加了負(fù)載和電機(jī)的不匹配

審核編輯 ：李倩