伺服驱动器的分类及交流伺服驱动器的工作原理
刘路路
发布于2022-11-17 16:47
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标签：伺服
在机电一体化的运动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。伺服系统通常由伺服驱动器和执行电动机构成。当伺服电动机接入电源起动运行，伺服驱动器就对伺服电动机进行精确的位置控制、速度控制、转矩控制以及故障保护。
根据伺服电动机的类型，伺服驱动器分为直流伺服驱动器和交流伺服驱动器。直流伺服控制简单、调速范围宽、稳定性高，但由于电刷、换向器和换向火花的存在，使得系统结构复杂，转动惯量大，易于产生电磁干扰，需要经常维护，难以适应恶劣的工作环境。随着永磁材料、电力电子、微处理器以及交流伺服驱动技术的进步，交流伺服技术得到飞速发展，由于没有了电刷和换向器，可靠性得到提高，对维护和保养要求降低，惯量小，响应速度快。另外，交流伺服具有高速大转矩、伺服精度高、效率高、调速平滑、低噪声等优点，虽然控制复杂，但现代控制技术和控制器件、功率器件的发展解决了各种交流伺服控制困难，交流伺服系统的性能逐渐提高，功能日臻完善，成本不断降低，因此，使得在要求高精度、高性能控制的工业应用场合，交流伺服系统显示出明显的优越性，交流伺服的需求量将会越来越大，交流伺服的应用将更加广泛，并将逐步取代直流伺服系统。
交流伺服驱动器作用于交流伺服电动机的原理类似于普通变频器作用于普通交流电动机。早期的变频器主要采用转速开环、恒压颗比控制，现代的高性能变频器已经能够根据交流电动机的动态数学模型，进行电流、速度、位置的闭环控制。交流伺服驱动器继承和发展了变频器的技术、在驱动器内部的电流环、速度环、位置环都采用了比变频器更为先进的控制技术和控制算法，功能也比普通变频器强大许多、不仅可以实现多种控制模式，还能有效地对交流伺服电动机进行过载、短路、欠电压等故障保护。
目前的主流伺服驱动器以中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或数字信号处理器(Digital Signal Frocessor，DSP)为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，也便于实现交流伺服驱动器的数字化、网络化和智能化。DSP的主要工作是完成与上位机通信、输出脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号、处理与电动机控制相关的核心算法等。另外，伺服驱动器以智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)为主要驱动模块，实现电源逆变，接收PWM 信号、输出三相交流电压指令信号完成对伺服电动机的驱动控制。此外，IPM具有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软起动电路，以减小起动过程对驱动器的冲击，进一步提高了伺服驱动器的可靠性和稳定性。
交流伺服驱动器的控制算法是交流伺服驱动技术的核心，控制算法的优劣直接关系到交流伺服驱动器性能的优劣。现代交流伺服驱动器的控制算法通常包括电动机控制策略，位置、速度和电流调节器算法，PWM算法。
交流伺服驱动器的性能指标分为稳态性能指标、动态性能指标和抗扰动性能指标。稳态性能指标指系统的静态误差和稳定后响应曲线的平稳性动态性能指标指系统的超调量、调节时间、响应速度抗扰动性能指标指系统在遇到干扰(如负载扰动、参数扰动)时重新恢复到稳定状态的恢复时间。
交流伺服驱动器选型时的主要性能参数有功率等级(能够控制的电流、电压范围)转速、频率范围电流、转速、位置控制精度响应时间，保护功能。
