伺服系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器和伺服電機(jī)等部件構(gòu)成。伺服系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的變化而變化。伺服驅(qū)動(dòng)器在接收下達(dá)的控制命令后，會(huì)發(fā)出信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng);與此同時(shí)，嵌入電機(jī)的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)信號(hào)的匯總、分析和修正。由此，伺服系統(tǒng)以閉環(huán)的形式精確控制了執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)等機(jī)械傳動(dòng)裝置）的輸出變量。

1、構(gòu)成

伺服驅(qū)動(dòng)器主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。

伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功率板和控制板兩個(gè)模塊。功率板是強(qiáng)電部分（功率大、電流大、頻率低的電力部分），其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開關(guān)電源單元，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源?？刂瓢迨侨蹼姴糠?，是電機(jī)的控制核心，也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來改變逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制交流伺服電機(jī)的目的。其中，逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電（一般為220V，50Hz正弦波）的轉(zhuǎn)換器。

伺服驅(qū)動(dòng)器主要材料成本中，IGBT和DSP芯片占總材料成本的50%以上。IGBT即絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有金氧半場(chǎng)效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，用于功率驅(qū)動(dòng)單元，能夠輔助直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。我國IGBT市場(chǎng)90%以上被外資企業(yè)占領(lǐng)，在短時(shí)間內(nèi)IGBT實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化較為困難。

2、工作原理

控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器?？刂瓢逅捎玫?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）除了具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如AC/DC（交流直流）轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN(控制局域網(wǎng)絡(luò))總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和大容量的程序存儲(chǔ)器等，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電再通過逆變器變頻輸出交流電來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡(jiǎn)單的說就是AC-DC-AC的過程。

伺服回路可根據(jù)輸入命令信號(hào)提供電機(jī)的比例控制。簡(jiǎn)單的伺服驅(qū)動(dòng)器包含用于控制扭矩的單個(gè)伺服回路。更先進(jìn)的伺服驅(qū)動(dòng)器可增設(shè)速度環(huán)，并且還可以包含位置環(huán)。在完整的伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)將命令所需的運(yùn)動(dòng)軌跡利用這三個(gè)伺服回路來優(yōu)化性能。每個(gè)環(huán)路向后續(xù)環(huán)路發(fā)送信號(hào)，并監(jiān)測(cè)適當(dāng)?shù)姆答佋瑥亩M(jìn)行實(shí)時(shí)更正，以匹配命令參數(shù)。