详解伺服驱动器和变频器的区别

　　伺服驱动器

 

　　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。

 

　　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 ［1］ 。

 

　　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。

 

　　测试平台

 

　　目前，伺服驱动器的测试平台主要有以下几种：采用伺服驱动器—电动机互馈对拖的测试平台、采用可调模拟负载的测试平台、采用有执行电机而没有负载的测试平台、采用执行电机拖动固有负载的测试平台和采用在线测试方法的测试平台 。

 

　　1采用伺服驱动器—电动机互馈对拖的测试平台

 

　　这种测试系统由四部分组成，分别是三相PWM整流器、被测伺服驱动器—电动机系统、负载伺服驱动器—电动机系统及上位机，其中两台电动机通过联轴器互相连接。被测电动机工作于电动状态，负载电动机工作于发电状态。被测伺服驱动器—电动机系统工作于速度闭环状态，用来控制整个测试平台的转速，负载伺服驱动器—电动机系统工作于转矩闭环状态，通过控制负载电动机的电流来改变负载电动机的转矩大小，模拟被测电机的负载变化，这样互馈对拖测试平台可以实现速度和转矩的灵活调节，完成各种试验功能测试。上位机用于监控整个系统的运行，根据试验要求向两台伺服驱动器发出控制指令，同时接收它们的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。

 

　　对于这种测试系统，采用高性能的矢量控制方式对被测电动机和负载设备分别进行速度和转矩控制，即可模拟各种负载情况下伺服驱动器的动、静态性能，完成对伺服驱动器的全面而准确的测试。但由于使用了两套伺服驱动器—电动机系统，所以这种测试系统体积庞大，不能满足便携式的要求，而且系统的测量和控制电路也比较复杂、成本也很高。

 

　　2采用可调模拟负载的测试平台

 

　　这种测试系统由三部分组成，分别是被测伺服驱动器—电动机系统、可调模拟负载及上位机。可调模拟负载如磁粉制动器、电力测功机等，它和被测电动机同轴相连。上位机和数据采集卡通过控制可调模拟负载来控制负载转矩，同时采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。对于这种测试系统，通过对可调模拟负载进行控制，也可模拟各种负载情况下伺服驱动器的动、静态性能，完成对伺服驱动器的全面而准确的测试。但这种测试系统体积仍然比较大，不能满足便携式的要求，而且系统的测量和控制电路也比较复杂、成本也很高。

 

　　3采用有执行电机而没有负载的测试平台

 

　　这种测试系统由两部分组成，分别是被测伺服驱动器—电动机系统和上位机。上位机将速度指令信号发送给伺服驱动器，伺服驱动器按照指令开始运行。在运行过程中，上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。由于这种测试系统中电机不带负载，所以与前面两种测试系统相比，该系统体积相对减小，而且系统的测量和控制电路也比较简单，但是这也使得该系统不能模拟伺服驱动器的实际运行情况。通常情况下，此类测试系统仅用于被测系统在空载情况下的转速和角位移的测试，而不能对伺服驱动器进行全面而准确的测试。

 

　　4采用执行电机拖动固有负载的测试平台

 

　　这种测试系统由三部分组成，分别是被测伺服驱动器—电动机系统、系统固有负载及上位机。上位机将速度指令信号发送给伺服驱动器，伺服系统按照指令开始运行。在运行过程中，上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。 

 

　　对于这种测试系统，负载采用被测系统的固有负载，因此测试过程贴近于伺服驱动器的实际工作情况，测试结果比较准确。但由于有的被测系统的固有负载不方便从装备上移走，因此测试过程只能在装备上进行，不是很方便。

 

　　5采用在线测试方法的测试平台

 

　　这种测试系统只有数据采集系统和数据处理单元。数字采集系统将伺服驱动器在装备中的实时运行状态信号进行采集和调理，然后送给数据处理单元供其进行处理和分析，最终由数据处理单元做出测试结论。由于采用在线测试方法，因此这种测试系统结构比较简单，而且不用将伺服驱动器从装备中分离出来，使测试更加便利。此类测试系统完全根据伺服驱动器在实际运行中进行测试，因此测试结论更加贴近实际情况。但是由于许多伺服驱动器在制造和装配方面的特点，此类测试系统中的各种传感器及信号测量元件的安装位置很难选择。而且装备中的其它部分如果出现故障，也会给伺服驱动器的工作状态造成不良影响，最终影响其测试结果。

　　伺服驱动器是用来驱动伺服电机的，伺服电机可以是步进电机，也可以是交流异步电机，主要为了实现快速、精确定位，像那种走走停停、精度要求很高的场合用的很多。

　　变频器就是为了将工频交流电变频成适合调节电机速度的电流，用以驱动电机，现在有的变频器也可以实现伺服控制了，也就是可以驱动伺服电机，但伺服驱动器和变频器还是不一样的！可伺服和变频器的区别究竟是什么，请看小编为您分解。

　　两者定义

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素等功能。变频器可驱动变频电机、普通交流电机，主要是充当调节电机转速的角色。变频器通常由整流单元、高容量电容、逆变器和控制器四部分组成。

　　伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。

　　伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

　　伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸）、反馈元件和伺服驱动器。若想让伺服系统运转顺利还需要一个上位机构，PLC、以及专门的运动控制卡，工控机+PCI卡，以便给伺服驱动器发送指令。

　　两者工作原理

　　变频器的调速原理主要受制于异步电动机的转速n、异步电动机的频率f、电动机转差率s、电动机极对数p这四个因素。转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

　　伺服系统的工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。

　　两者共同点：

　　交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节：变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管（IGBT，IGCT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了（n=60f/p，n转速，f频率，p极对数）。

　　两者区别在于：

　　1. 过载能力不同。伺服驱动器一般具有3倍过载能力，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，而变频器一般允许1.5倍过载。

　　2. 控制精度。伺服系统的控制精度远远高于变频，通常伺服电机的控制精度是由电机轴后端的旋转编码器保证。有些伺服系统的控制精度甚至达到1：1000。

　　3. 应用场合不同。变频控制与伺服控制是两个范畴的控制。前者属于传动控制领域，后者属于运动控制领域。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求的是低成本。另一个则是追求高精度、高性能、高响应。

　　4. 加减速性能不同。在空载情况下伺服电机从静止状态加工到2000r/min，用时不会超20ms。电机的加速时间跟电机轴的惯量以及负载有关系。通常惯量越大加速时间越长。

　　国内伺服和变频器市场情况

　　尽管我国的伺服技术起步较晚，由伺服电机、反馈装置与控制器组成的伺服系统才走过50个年头而已。但不可否认的是，中国制造业开始逐渐意识到伺服系统在提高产品竞争力方面发挥的作用越来越大。伺服系统强劲的市场需求开始渐露头角。相信不久之后，伺服系统新一轮的增长史必将续写另一个“中国变频器”的发展史。主要分析原因如下：

　　首先，随着中国经济整体形式的向好发展，很多伺服重点应用行业如机床、电子专用设备、医疗器械、混合动力汽车、新能源等行业因经济政治原因，恢复程度大大超过人们的预期水平。此等行业的发展直接导致伺服市场的需求旺盛，使得众多国产伺服品牌纷纷崛起。而随着工业化进程的加快，产业升级与进口替代也推动了伺服产品的大量使用，节能、增产效果日趋明显。值得一提的是，伺服应用技术在风力发电行业的初步成熟，暗示了节能减碳带给伺服的商机绝不亚于节能减排给高压变频器带来的机遇。

　　其次，在高端领域，用户在使用过程中最为看重的极大因素如稳定性、响应性、精度，都是伺服系统所具备的优势所在。在技术要求越来越高的今天，谁拥有最高的性能，谁就能获得用户青睐，价格已不再是阻碍伺服发展的决定因素。高端市场无疑被伺服占据着高地。而变频器只是在一些较为低端的简单领域发挥着作用。

　　据不完全统计，目前国内推出伺服产品的厂商差不多有二十余家。一直以来，伺服领域的准入门槛比低压变频器领域高，许多厂商还是基于变频器技术基础上发展而来，像国产厂商汇川等企业，就已经开始初尝伺服产业为企业带来的实际效益。汇川原有的研发实力为其在伺服领域立足提供有效支撑，而品牌影响力提升、产能释放和细分行业延伸，使得其在伺服市场的地位将逐年提升，2010年其伺服销售额就达1亿多人民币。究其转向伺服产品的最终原因，国家伺服发展政策向好可一语道破玄机。在七大战略性新兴产业中，机械工业占了两个即高端装备制造业和新能源汽车，且其他五个战略性新兴产业也都需要机械工业的支撑。由此看来，制造业的发展也将给伺服发展带来新契机。

　　伺服和变频器的市场竞争

　　由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同，主要的竞争集中在：

　　技术含量竞争。在相同的领域中，若采购方对机械的技术要求较高并较为复杂，则会选择伺服系统。反之则会选择变频器产品。如一些数控机床、电子专用设备等高科技机械均会首选伺服产品。

　　价格竞争。大多数采购方会顾虑成本，常常把技术忽略而首选价格较低的变频器。众所周知，伺服系统的价格差不多是变频器产品的几倍。

　　尽管目前伺服系统的应用还未普及，尤其是国产伺服系统，被应用的场合相比国外伺服产品少之甚少。但随着工业化进程的加快，人们将逐渐意识到伺服系统的优势所在，伺服系统也将获得采购商的认可。同样，国产伺服技术也不会止步不前，不管是基于丰厚的利润回报还是振兴国家的历史使命感，相信会有越来越多的厂商将投入到伺服系统的研发领域中。届时将迎来中国“伺服产业”的鼎盛时期。