伺服系统构成及其工作原理

伺服系统主要由伺服驱动器、编码器和伺服电机等部件构成。伺服系统是一种自动控制系统，能使物体的位置、方位、状态等输出被控量跟随输入目标（或给定值）的变化而变化。伺服驱动器在接收下达的控制命令后，会发出信号给伺服电机驱动其转动;与此同时，嵌入电机的编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，由伺服驱动器完成对信号的汇总、分析和修正。由此，伺服系统以闭环的形式精确控制了执行机构（电机等机械传动装置）的输出变量。

1、构成

伺服驱动器主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元组成。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。

伺服驱动器大体可以划分为功率板和控制板两个模块。功率板是强电部分（功率大、电流大、频率低的电力部分），其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM，用于电机的驱动，二是开关电源单元，为整个系统提供数字和模拟电源。控制板是弱电部分，是电机的控制核心，也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率，以达到控制交流伺服电机的目的。其中，逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为220V，50Hz正弦波）的转换器。

伺服驱动器主要材料成本中，IGBT和DSP芯片占总材料成本的50%以上。IGBT即绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点，用于功率驱动单元，能够辅助直流电转变为交流电。我国IGBT市场90%以上被外资企业占领，在短时间内IGBT实现国产化较为困难。

2、工作原理

控制单元是整个交流伺服系统的核心，是系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。控制板所采用的数字信号处理器（DSP）除了具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如AC/DC（交流直流）转换器、PWM发生器、定时/计数器电路、异步通讯电路、CAN(控制局域网络)总线收发器以及高速的可编程静态RAM(随机存取存储器)和大容量的程序存储器等，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。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再通过逆变器变频输出交流电来驱动伺服电机。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。

伺服回路可根据输入命令信号提供电机的比例控制。简单的伺服驱动器包含用于控制扭矩的单个伺服回路。更先进的伺服驱动器可增设速度环，并且还可以包含位置环。在完整的伺服驱动器系统中，运动控制器发出的数字信号将命令所需的运动轨迹利用这三个伺服回路来优化性能。每个环路向后续环路发送信号，并监测适当的反馈元件，从而进行实时更正，以匹配命令参数。