伺服驱动控制原理

时间：2022-10-26

作者：福建科盛共创机电设备有限公司

一伺服电机

1. 概念

伺服电机，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。

由于它的“伺服”性能，因此它就被命名为伺服电机。其功能是将输入的电压控制信号转为轴上输出的角位移和角速度驱动控制对象。

伺服电机一般分为两大类：直流伺服电机、交流伺服电机。

2. 交流伺服电机

2.1 结构

2.2工作原理

交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

交流伺服电机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

3. 直流伺服电机

3.1结构

3.2 工作原理

直流伺服电机的工作原理与普通的直流电机工作原理基本相同。依靠电枢气流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电机转动。通常采用电枢控制方式，在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电压来改变转速。电压越小转速越低，电压为零时，停止转动。因为电压为零时，电流也为零，所以电机不会产生电磁转矩，既不会出现自转现象。

直流伺服电机在数控系统中应用很多，但是直流伺服电机也有一定的缺点：它的电刷和换向器易磨损；电机较高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。

二伺服驱动器

1. 概念

伺服驱动器又称为伺服放大器或放大器，是将从控制器输入的脉冲信号或模拟量信号经内部计算放大后输出给电机的装置。

2. 结构及原理

伺服驱动器主要有伺服控制单元、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能比较独立的功率板和控制板两个模块。功率板是强电部分，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PWM/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。

伺服驱动器结构&控制原理

2.1 功率驱动单元

功率驱动单**先通过三相全桥整流电路对输入的三相电进行整流，得到相应的直流电，再通过逆变器变频为可控的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。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

2.2 控制单元

控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。所采用的数字信号处理器(DSP)除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**集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时/计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

PID控制示意

2.3 驱动控制方式

（1）PWM 控制（沙迪克驱动器）

PWM控制技术：对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

优点：

1）噪音低；

2）满负载时效率高且能工作在连续导电模式；

3）纹波电压小；

4）开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单；

5）控制方法实现起来容易。

缺点：

1）PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，PFM具有较快的响应速度；

2）PWM在低负荷时效率较低。

（2）PFM控制（松下驱动器）

调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM。

优点：

1）PFM相比较PWM主要优点在于效率；

2）PFM具有静态功耗小的优点；

3）没有限流的功能也不能工作于连续导电方式；

4）与PWM相比，PFM的输出电流小；

对于外围电路一样的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM与PWM相当,但在峰值效率以前,PFM的效率远远**PWM的效率,这是PFM的主要优势

缺点：

1）滤波困难（谐波频谱太宽）；

2）PFM的频率低于PWM的频率,会造成输出纹波比PWM偏大；

3）PFM控制相比PWM控制，价格要贵。

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