伺服驱动器的基本介绍及工作原理

伺服驱动器(servo drives)又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

基本介绍

伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用 。

在伺服驱动器速度闭环中，电机转子实时速度测量精度对于改善速度环的转速控制动静态特性至关重要。为寻求测量精度与系统成本的平衡，一般采用增量式光电编码器作为测速传感器，与其对应的常用测速方法为M/T测速法。M/T测速法虽然具有一定的测量精度和较宽的测量范围，但这种方法有其固有的缺陷，主要包括：

1)测速周期内必须检测到至少一个完整的码盘脉冲，限制了最低可测转速;

2)用于测速的2个控制系统定时器开关难以严格保持同步，在速度变化较大的测量场合中无法保证测速精度。因此应用该测速法的传统速度环设计方案难以提高伺服驱动器速度跟随与控制性能。

工作原理

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。

伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。

基本要求

伺服进给系统的要求

1、调速范围宽

2、定位精度高

3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性

4、快速响应，无超调

为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。

5、低速大转矩，过载能力强

一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。

6、可靠性高

要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。

对电机的要求

1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。

4、电机应能承受频繁启、制动和反转。

伺服驱动器常见故障及处理方法

1、LED灯是绿的，但是电机不动

(1) 故障原因：一个或多个方向的电机禁止动作。

处理方法：检查+INHIBIT 和 –INHIBIT 端口。

(2) 故障原因：命令信号不是对驱动器信号地的。

处理方法：将命令信号地和驱动器信号地相连。

2、上电后，驱动器的LED灯不亮

故障原因：供电电压太低，小于最小电压值要求。

处理方法：检查并提高供电电压。

3、当电机转动时， LED灯闪烁

(1) 故障原因：HALL相位错误。

处理方法：检查电机相位设定开关是否正确。

(2) 故障原因：HALL传感器故障。

处理方法：当电机转动时检测Hall A, Hall B, Hall C的电压。电压值应该在5VDC和0之间。

4、LED灯始终保持红色

故障原因：存在故障。

处理方法：原因: 过压、欠压、短路、过热、驱动器禁止、HALL无效。5、电机失速

(1) 故障原因：速度反馈的极性搞错。

处理方法：

a、如果可能，将位置反馈极性开关打到另一位置。(某些驱动器上可以)

b、如使用测速机，将驱动器上的TACH+和TACH-对调接入。

c、如使用编码器，将驱动器上的ENC A和ENC B对调接入。

d、如在HALL速度模式下，将驱动器上的HALL-1和HALL-3对调，再将Motor-A和Motor-B对调接好。

(2) 故障原因：编码器速度反馈时，编码器电源失电。

处理方法：检查连接5V编码器电源。确保该电源能提供足够的电流。如使用外部电源，确保该电压是对驱动器信号地的。

6、电机在一个方向上比另一个方向跑得快

(1) 故障原因：无刷电机的相位搞错。

处理方法：检测或查出正确的相位。

(2) 故障原因：在不用于测试时，测试/偏差开关打在测试位置。

处理方法：将测试/偏差开关打在偏差位置。

(3) 故障原因：偏差电位器位置不正确。

处理方法：重新设定。

7、示波器检查驱动器的电流监控输出端时，发现它全为噪声，无法读出

故障原因：电流监控输出端没有与交流电源相隔离(变压器)。

处理方法：可以用直流电压表检测观察。

8、伺服电机高速旋转时出现电机偏差计数器溢出错误，如何处理?

(1)故障原因：高速旋转时发生电机偏差计数器溢出错误;

处理方法：检查电机动力电缆和编码器电缆的配线是否正确，电缆是否有破损。

(2)故障原因：输入较长指令脉冲时发生电机偏差计数器溢出错误

处理方法：

a、增益设置太大，重新手动调整增益或使用自动调整增益功能;

b、延长加减速时间;

c、负载过重，需要重新选定更大容量的电机或减轻负载，加装减速机等传动机构提高负荷能力。

(3)故障原因：运行过程中发生电机偏差计数器溢出错误。

处理方法：

a.增大偏差计数器溢出水平设定值;

b.减慢旋转速度;

c.延长加减速时间;

d.负载过重，需要重新选定更大容量的电机或减轻负载，加装减速机等传动机构提高负载能力。

9、伺服电机在有脉冲输出时不运转，如何处理?

① 监视控制器的脉冲输出当前值以及脉冲输出灯是否闪烁，确认指令脉冲已经执行并已经正常输出脉冲;

② 检查控制器到驱动器的控制电缆，动力电缆，编码器电缆是否配线错误，破损或者接触不良;

③ 检查带制动器的伺服电机其制动器是否已经打开;

④ 监视伺服驱动器的面板确认脉冲指令是否输入;

⑤ Run运行指令正常;

⑥ 控制模式务必选择位置控制模式;

⑦ 伺服驱动器设置的输入脉冲类型和指令脉冲的设置是否一致;

⑧ 确保正转侧驱动禁止，反转侧驱动禁止信号以及偏差计数器复位信号没有被输入，脱开负载并且空载运行正常，检查机械系统。

审核编辑：汤梓红