伺服驅動器

伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制演演算法。該演演算法中速度閉環設計合理與否，對於整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用。

在伺服驅動器速度閉環中，電機轉子實時速度測量精度對於改善速度環的轉速控制動靜態特性至關重要。為尋求測量精度與系統成本的平衡，一般採用增量式光電編碼器作為測速感測器，與其對應的常用測速方法為M/T測速法。M/T測速法雖然具有一定的測量精度和較寬的測量範圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：1）測速周期內必須檢測到至少一個完整的碼盤脈衝，限制了最低可測轉速；2）用於測速的2個控制系統定時器開關難以嚴格保持同步，在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度。因此應用該測速法的傳統速度環設計方案難以提高伺服驅動器速度跟隨與控制性能。

目前主流的伺服驅動器均採用 數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較複雜的控制演演算法，實現數字化、網路化和智能化。功率器件普遍採用以 智能功率模塊（IPM）為核心設計的 驅動電路,IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主迴路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的衝擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步 交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單地說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋 不控整流電路。

隨著伺服系統的大規模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調試、伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題，越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究。

伺服進給系統的要求

1、調速範圍寬

2、定位精度高

3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性

4、快速響應，無超調

為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數控系統在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。

5、低速大轉矩，過載能力強

一般來說，伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時間內可以過載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

要求數控機床的進給驅動系統可靠性高、工作穩定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環境適應能力和很強的抗干擾的能力。

對電機的要求

1、從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。

2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4～6倍而不損壞。

3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，並具有儘可能小的時間常數和啟動電壓。

4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。

目前，伺服驅動器的測試平台主要有以下幾種：採用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平台、採用可調模擬負載的測試平台、採用有執行電機而沒有負載的測試平台、採用執行電機拖動固有負載的測試平台和採用在線測試方法的測試平台。

1採用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平台

這種測試系統由四部分組成，分別是三相PWM整流器、被測伺服驅動器—電動機系統、負載伺服驅動器—電動機系統及上位機，其中兩台電動機通過聯軸器互相連接。被測電動機工作於電動狀態，負載電動機工作於發電狀態。被測伺服驅動器—電動機系統工作於速度閉環狀態，用來控制整個測試平台的轉速，負載伺服驅動器—電動機系統工作於轉矩閉環狀態，通過控制負載電動機的電流來改變負載電動機的轉矩大小，模擬被測電機的負載變化，這樣互饋對拖測試平台可以實現速度和轉矩的靈活調節，完成各種試驗功能測試。上位機用於監控整個系統的運行，根據試驗要求向兩台伺服驅動器發出控制指令，同時接收它們的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。

對於這種測試系統，採用高性能的矢量控制方式對被測電動機和負載設備分別進行速度和轉矩控制，即可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態性能，完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但由於使用了兩套伺服驅動器—電動機系統，所以這種測試系統體積龐大，不能滿足攜帶型的要求，而且系統的測量和控制電路也比較複雜、成本也很高。

2採用可調模擬負載的測試平台

這種測試系統由三部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統、可調模擬負載及上位機。可調模擬負載如磁粉制動器、電力測功機等，它和被測電動機同軸相連。上位機和數據採集卡通過控制可調模擬負載來控制負載轉矩，同時採集伺服系統的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。對於這種測試系統，通過對可調模擬負載進行控制，也可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態性能，完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但這種測試系統體積仍然比較大，不能滿足攜帶型的要求，而且系統的測量和控制電路也比較複雜、成本也很高。

3採用有執行電機而沒有負載的測試平台

這種測試系統由兩部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統和上位機。上位機將速度指令信號發送給伺服驅動器，伺服驅動器按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數據採集電路採集伺服系統的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。由於這種測試系統中電機不帶負載，所以與前面兩種測試系統相比，該系統體積相對減小，而且系統的測量和控制電路也比較簡單，但是這也使得該系統不能模擬伺服驅動器的實際運行情況。通常情況下，此類測試系統僅用於被測系統在空載情況下的轉速和角位移的測試，而不能對伺服驅動器進行全面而準確的測試。

4採用執行電機拖動固有負載的測試平台

這種測試系統由三部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統、系統固有負載及上位機。上位機將速度指令信號發送給伺服驅動器，伺服系統按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數據採集電路採集伺服系統的運行數據，並對數據進行保存、分析與顯示。

對於這種測試系統，負載採用被測系統的固有負載，因此測試過程貼近於伺服驅動器的實際工作情況，測試結果比較準確。但由於有的被測系統的固有負載不方便從裝備上移走，因此測試過程只能在裝備上進行，不是很方便。

5採用在線測試方法的測試平台

這種測試系統只有數據採集系統和數據處理單元。數字採集系統將伺服驅動器在裝備中的實時運行狀態信號進行採集和調理，然後送給數據處理單元供其進行處理和分析，最終由數據處理單元做出測試結論。由於採用在線測試方法，因此這種測試系統結構比較簡單，而且不用將伺服驅動器從裝備中分離出來，使測試更加便利。此類測試系統完全根據伺服驅動器在實際運行中進行測試，因此測試結論更加貼近實際情況。但是由於許多伺服驅動器在製造和裝配方面的特點，此類測試系統中的各種感測器及信號測量元件的安裝位置很難選擇。而且裝備中的其它部分如果出現故障，也會給伺服驅動器的工作狀態造成不良影響，最終影響其測試結果。

1、設定位置環調節器的比例增益；

2、設置值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈衝條件下，位置滯后量越小。但數值太大可能會引起振蕩或超調；

3、參數數值由具體的伺服系統型號和負載情況確定。

1、設定位置環的前饋增益；

2、設定值越大時，表示在任何頻率的指令脈衝下，位置滯后量越小；

3、位置環的前饋增益大，控制系統的高速響應特性提高，但會使系統的位

置不穩定，容易產生振蕩；

4、不需要很高的響應特性時，本參數通常設為0表示範圍：0~100%。

1、設定速度調節器的比例增益；

2、設置值越大，增益越高，剛度越大。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載值情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大；

3、在系統不產生振蕩的條件下，盡量設定較大的值。

1、設定速度調節器的積分時間常數；

2、設置值越小，積分速度越快。參數數值根據具體的伺服驅動系統型號和負載情況確定。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大；

3、在系統不產生振蕩的條件下，盡量設定較小的值。

1、設定速度反饋低通濾波器特性；

2、數值越大，截止頻率越低，電機產生的噪音越小。如果負載慣量很大，可以適當減小設定值。數值太大，造成響應變慢，可能會引起振蕩；

3、數值越小，截止頻率越高，速度反饋響應越快。如果需要較高的速度響應，可以適當減小設定值。

調整速度比例增益KVP值。當伺服系統安裝完后，必須調整參數，使系統穩定旋轉。首先調整速度比例增益KVP值．調整之前必須把積分增益KVI及微分增益KVD調整至零，然後將KVP值漸漸加大；同時觀察伺服電機停止時是否產生振蕩，並且以手動方式調整KVP參數，觀察旋轉速度是否明顯忽快忽慢．KVP值加大到產生以上現象時，必須將KVP值往回調小，使振蕩消除、旋轉速度穩定。此時的KVP值即初步確定的參數值。如有必要，經KⅥ和KVD調整后，可再作反覆修正以達到理想值。

調整積分增益KⅥ值。將積分增益KVI值漸漸加大，使積分效應漸漸產生。由前述對積分控制的介紹可看出，KVP值配合積分效應增加到臨界值后將產生振蕩而不穩定，如同KVP值一樣，將KVI值往回調小，使振蕩消除、旋轉速度穩定。此時的KVI值即初步確定的參數值。

調整微分增益KVD值。微分增益主要目的是使速度旋轉平穩，降低超調量。因此，將KVD值漸漸加大可改善速度穩定性。

調整位置比例增益KPP值。如果KPP值調整過大，伺服電機定位時將發生電機定位超調量過大，造成不穩定現象。此時，必須調小KPP值，降低超調量及避開不穩定區；但也不能調整太小，使定位效率降低。因此，調整時應小心配合。

現代伺服驅動器均已微計算機化，大部分提供自動增益調整( autotuning)的功能，可應付多數負載狀況。在參數調整時，可先使用自動參數調整功能，必要時再手動調整。

事實上，自動增益調整也有選項設置，一般將控制響應分為幾個等級，如高響應、中響應、低響應，用戶可依據實際需求進行設置。

1、設置伺服電機的內部轉矩限制值；

2、設置值是額定轉矩的百分比；

3、任何時候，這個限制都有效定位完成範圍；

4、設定位置控制方式下定位完成脈衝範圍；

5、本參數提供了位置控制方式下驅動器判斷是否完成定位的依據，當位置偏差計數器內的剩餘脈衝數小於或等於本參數設定值時，驅動器認為定位已完成，到位開關信號為 ON，否則為OFF；

6、在位置控制方式時，輸出位置定位完成信號，加減速時間常數；

7、設置值是表示電機從0~2000r/min的加速時間或從2000~0r/min的減速時間；

8、加減速特性是線性的到達速度範圍；

9、設置到達速度；

10、在非位置控制方式下，如果電機速度超過本設定值，則速度到達開關信號為ON，否則為OFF；

11、在位置控制方式下，不用此參數；

12、與旋轉方向無關。

伺服驅動器廣泛應用於注塑機領域、紡織機械、包裝機械、數控機床領域等。

調速比1：5000

轉數比0.3：1500

有位置控制

有零速鎖定

過載能力200[%]―300[%]

起動力矩大

轉速不受負載影響

三閉環控制

1、伺服控制器通過自動化介面可很方便地進行操作模塊和現場匯流排模塊的轉換，同時使用不同的現場匯流排模塊實現不同的控制模式(RS232、RS485、光纖、InterBus、ProfiBus)，而通用變頻器的控制方式比較單一。

2、伺服控制器直接連接旋轉變壓器或編碼器，構成速度、位移控制閉環。而通用變頻器只能組成開環控制系統。

3、伺服控制器的各項控制指標(如穩態精度和動態性能等)優於通用變頻器。