淺談伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器專業(yè)論文

1、窗體頂端淺談伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器 供稿： 發(fā)布時(shí)間： 摘要：本文介紹了伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻器的起源、工作原理、特點(diǎn)，并對二者的使用目的、功能等進(jìn)行了綜合對比。關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器“伺服”（Servo）源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動(dòng)作。在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)信號消失，轉(zhuǎn)子能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名。目前伺服已經(jīng)成為高精度、高響應(yīng)速度、高性能的代名詞。伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是由控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)組成的。利用伺服機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩的

2、單項(xiàng)控制及組合控制。轉(zhuǎn)矩控制： 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，主要應(yīng)用于需要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)矩的場合。電流環(huán)控制速度控制：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率對轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。速度環(huán)控制位置控制： 伺服中最常用的控制，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(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，所以一般應(yīng)用于定位。三環(huán)控制衡量伺服控制系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬，由系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性來規(guī)定，反映伺服系統(tǒng)的跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。伺服系統(tǒng)精度指的

3、是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號要求的精確程度,以誤差的形式表現(xiàn),可概括為動(dòng)態(tài)誤差,穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個(gè)方面組成。伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器的差異變頻器與伺服放大器在主回路與控制回路上的區(qū)別如下：主回路：變頻器與伺服的構(gòu)成基本相同。兩者的區(qū)別在于伺服中增加了稱為動(dòng)態(tài)制動(dòng)器的部件。停止時(shí)該部件能吸收伺服電機(jī)積累的慣性能量，對伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。控制回路：與變頻器相比，伺服的構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)，需要復(fù)雜的反饋、控制模式切換、限制（電流/速度/轉(zhuǎn)矩）等功能。伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器在性能及應(yīng)用方面主要區(qū)別如下： 控制精度不同交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。 矩頻特性不同交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)

4、，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象.在0.2r/min轉(zhuǎn)速下仍可拖動(dòng)額定負(fù)載平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)速比可達(dá)到1:10000，這是變頻器遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。 具有過載能力不同伺服驅(qū)動(dòng)器一般具有短時(shí)3倍過載能力，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。變頻器一般允許1.5倍過載。 加減速性能不同 在空載情況下伺服電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到2000r/min，用時(shí)不會(huì)超20mS。電機(jī)的加速時(shí)間跟電機(jī)軸的慣量以及負(fù)載有關(guān)系，通常慣量和負(fù)載越大加速時(shí)間越長。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良伺服電機(jī)在位置控制模式下，突加負(fù)載或撤載，幾乎沒有超調(diào)現(xiàn)象，電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，保證了機(jī)床加工的精度。 驅(qū)動(dòng)對象不同變頻器是用來控制交流異步電機(jī)，伺服驅(qū)

5、動(dòng)器用來控制交流永磁同步電機(jī)。伺服系統(tǒng)的性能不僅取決于驅(qū)動(dòng)器的性能，而且跟伺服電機(jī)的性能有直接的關(guān)系。伺服電機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)，電機(jī)方面的嚴(yán)重差異也是兩者性能不同的根本。 應(yīng)用場合不同變頻控制與伺服控制是兩個(gè)范疇的控制。前者屬于傳動(dòng)控制領(lǐng)域,后者屬于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。一個(gè)是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。另一個(gè)就是代表著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展水平的產(chǎn)品，追求高性能、高響應(yīng)、高精度 。伺服和變頻器在使用目的、功能方面存在本質(zhì)的差異。選擇哪一個(gè)取決于運(yùn)行模式、負(fù)載條件、價(jià)格等因素。 比較項(xiàng)目（通用）變頻器（通

6、用）伺服控制用途控制對象為比較緩和的穩(wěn)定狀態(tài)。要求進(jìn)行過度性的高速、高精度控制的用途。控制功能基本上以速度控制模式為對象。適用于位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的各種模式。使用電機(jī)使用通用（感應(yīng)）電機(jī)?；旧细鶕?jù)與伺服驅(qū)動(dòng)器的關(guān)系有專用的固定的幾種類型。多臺電機(jī)的運(yùn)行1臺變頻器可以驅(qū)動(dòng)多臺電機(jī)。原則上1塊伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)1臺電機(jī)。（雙電機(jī)模塊相當(dāng)于2塊驅(qū)動(dòng)器）價(jià)格（比較）低。（比較）高。響應(yīng)性能（越高越好）低。30rad/s以下。高。2001500rad/s左右。停止精度最高可達(dá)100m以下。最高可達(dá)1m左右。啟動(dòng)/停止頻率（可啟動(dòng)/停止的次數(shù)）20次/分鐘以下。20600次/分鐘左右。速度變化率大

7、。由于沒有速度反饋，會(huì)受到負(fù)載等變化的影響。小。由于有速度反饋，可排除負(fù)載變化等的影響。連續(xù)運(yùn)行范圍（100%負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行）小。1：10左右。大。1：5000左右。最大轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩比）150%左右。300%左右。輸出功率100W300KW左右。10W60KW 左右?；旧纤欧男阅鼙茸冾l器優(yōu)越。因此，由變頻器變更為伺服時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行方面的問題。但是，必須考慮下列幾點(diǎn)： 機(jī)械側(cè)的剛性伺服的最大轉(zhuǎn)矩約為變頻器的2倍。因此，如果機(jī)械結(jié)構(gòu)比較脆弱，加、減速時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)（振蕩現(xiàn)象）。此時(shí)，須采取加固機(jī)械結(jié)構(gòu)、減小伺服系統(tǒng)的增益（控制靈敏度）等措施。 換算到電機(jī)軸的負(fù)載慣性大?。☉T性）與變頻

8、器相比，伺服對于負(fù)載慣性的大小很敏感。相對于電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如果負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過大，則電機(jī)軸會(huì)被負(fù)載拖著旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致控制不穩(wěn)定。因此，根據(jù)機(jī)械負(fù)載選擇合適的伺服容量至關(guān)重要。 電機(jī)軸的振動(dòng)安裝電機(jī)的部位發(fā)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)，會(huì)給電機(jī)的轉(zhuǎn)軸帶來影響。尤其對內(nèi)置編碼器的伺服電機(jī)，有時(shí)必須采取降低振動(dòng)的措施。 減速機(jī)構(gòu)的打滑伺服的基本概念是準(zhǔn)確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個(gè)必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動(dòng)器中同樣存在變頻（需進(jìn)行無級調(diào)速）。但伺服將電流環(huán)速度環(huán)或者位置環(huán)都閉合進(jìn)行控制。除此外，伺服電機(jī)的構(gòu)造與普通電機(jī)是有區(qū)別的，要滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確定位?，F(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機(jī)多為永磁同步交流伺服，但這種電機(jī)受工藝限制，很難做到很大