伺服驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，伺服驅(qū)動(dòng)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。 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，事項(xiàng)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?

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

伺服驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格與選擇

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)控制等場(chǎng)合，都是它主要的應(yīng)用范圍。在不同的運(yùn)用場(chǎng)合雖然要求的特性規(guī)格與操作界面會(huì)有所不同，但其應(yīng)用方法與控制原理可說(shuō)是大同小異。本文將說(shuō)明直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成，伺服系統(tǒng)要求規(guī)格，驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格、型式、特性與工作原理，最后再介紹一些應(yīng)用實(shí)例。

一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常包含三個(gè)主要部份：伺服電動(dòng)機(jī)、速度回路驅(qū)動(dòng)器與位置回路控制器。伺服電機(jī)可根據(jù)應(yīng)用的需要而決定是否加裝轉(zhuǎn)速計(jì)(tachometer)、光編碼器(photo encoder)或剎車(chē)(braker)。一般商品化的伺服驅(qū)動(dòng)器即是指速度回路驅(qū)動(dòng)器，其中包含了功率放大器與速度回路控制器，并包含適當(dāng)?shù)膽?yīng)用界面電路，因而能夠根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合做適當(dāng)?shù)慕M合。位置控制器一般包含位置控制器與計(jì)算機(jī)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(shè)定，通常為一可單獨(dú)銷(xiāo)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(dòng)器的規(guī)格書(shū)，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(jī)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(jí)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(chēng)之為 derating factor 為波形率(form factor)的倒數(shù)。

     直流伺服驅(qū)動(dòng)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?fù)p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(dòng)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(jí)伺服驅(qū)動(dòng)器的瞬時(shí)最大輸出電流約為其額定輸出電流的2～3倍，瞬時(shí)最大輸出電流直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)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(dòng)器時(shí)，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(yùn)動(dòng)的能力，一般的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)或負(fù)載波動(dòng)下其維持定速的能力，定義的項(xiàng)目通常包含：負(fù)載變動(dòng)、電源電壓變動(dòng)與溫度變動(dòng)。反應(yīng)時(shí)間(response time)為瞬時(shí)響應(yīng)的重要指標(biāo)，0-1000 rpm的反應(yīng)時(shí)間為一般參考標(biāo)準(zhǔn)。在額定負(fù)載下的最高轉(zhuǎn)速反應(yīng)時(shí)間，在設(shè)計(jì)位置回路控制器時(shí)亦為重要的參考指標(biāo)。加減速特性主要指在最高轉(zhuǎn)速的步階響應(yīng)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(dòng)器均為直線一段線性加速，但亦可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要選擇不同加速曲線的驅(qū)動(dòng)器，或在外回路位置控制加以修改。

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

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

配適電機(jī) 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?chē)鷹l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(dāng)(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(shí)最大輸出電流.

Max. Inst. Output Cur. 高速時(shí) 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(shí)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(dòng)

Speed Variation 負(fù)荷變 動(dòng) 0~100% rpm 0.01

電源電壓變動(dòng) ±10 rpm 0.01

溫度變動(dòng) 0~50C rpm 0.5

反應(yīng)時(shí)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(hù)機(jī)能 Protection - 電源電壓低下、過(guò)速度、過(guò)電流、過(guò)負(fù)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(shè)一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)際的控制系統(tǒng)均有某一個(gè)程度的非線性特性，因此在實(shí)際量測(cè)一個(gè)控制系統(tǒng)的回路增益時(shí)均是在閉路控制的情況下，選擇一個(gè)工作點(diǎn)再利用頻率響應(yīng)分析儀(frequency response analyzer)量測(cè)其小信號(hào)的回路增益，因此測(cè)試結(jié)果常標(biāo)示其工作點(diǎn)。直流伺服驅(qū)動(dòng)器本身受到輸出電壓電流的限制，因此也可以說(shuō)是一個(gè)非線性控制系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)輸出扭矩與轉(zhuǎn)速愈高時(shí)，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(diǎn)所測(cè)得的回路增益一般均較小。

選擇伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)應(yīng)注意伺服驅(qū)動(dòng)器與其所配對(duì)的電機(jī)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(dòng)器與直流伺服電機(jī)的基本接線圖。為了降低電樞線圈的漣波電流，可加上一個(gè)扼流圈(choke)與 電機(jī)線圈串聯(lián)，但如此也會(huì)加長(zhǎng)電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)(electrical time constant)，而降低了動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(shí)需多加考慮。一般功率較大的驅(qū)動(dòng)器其功率級(jí)與信號(hào)級(jí)均完全隔離以避免 di/dt 與 dv/dt 噪聲的干擾，這類(lèi)的驅(qū)動(dòng)器與市電連接時(shí)可不必再多加隔離變壓器。

直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性

一個(gè)較完整的直流伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括傳動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)。

首先確定電機(jī)類(lèi)型；

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

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(cè)速機(jī)、旋變等；

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

4．選擇驅(qū)動(dòng)器。

根據(jù)電機(jī)功率，和以上綜合因素選擇驅(qū)動(dòng)器；

選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)，不僅需考慮和電機(jī)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(yīng)用情況而定，簡(jiǎn)單地說(shuō)要確定：負(fù)載的性質(zhì)（如水平還是垂直負(fù)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(duì)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(jī)和配用驅(qū)動(dòng)器或控制器的型號(hào)。

       選擇合適的伺服電機(jī)系統(tǒng)需要知道的技術(shù)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(jī)小于1000RPM） 高（可達(dá)5000RPM）,直流伺服電機(jī)更可達(dá)1~2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分

3。控制方式 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(shí)有振動(dòng)（但用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器則可明顯改善） 好，運(yùn)行平滑

5。精度 一般較低，細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高 高（具體要看反饋裝置的分辨率）

6。矩頻特性 高速時(shí)，力矩下降快 力矩特性好，特性較硬

7。過(guò)載特性 過(guò)載時(shí)會(huì)失步 可3~10倍過(guò)載（短時(shí)）

8。反饋方式 大多數(shù)為開(kāi)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(lèi)型 - 光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對(duì)值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型

10。響應(yīng)速度 一般 快

11。耐振動(dòng) 好 一般（旋轉(zhuǎn)變壓器型可耐振動(dòng)）

12。溫升 運(yùn)行溫度高 一般

13。維護(hù)性 基本可以免維護(hù) 較好

14。價(jià)格 低 高

伺服系統(tǒng)分直流伺服和交流伺服。

直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。

有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。

無(wú)刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)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(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。

交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)行的應(yīng)用。