什么是伺服驅動器？

伺服驅動器（servo drives）又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的產(chǎn)品。

伺服驅動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。

當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關鍵作用 。

在伺服驅動器速度閉環(huán)中，電機轉子實時速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉速控制動靜態(tài)特性至關重要。為尋求測量精度與系統(tǒng)成本的平衡，一般采用增量式光電編碼器作為測速傳感器，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范圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：

1）測速周期內(nèi)必須檢測到至少一個完整的碼盤脈沖，限制了低可測轉速；

2）用于測速的2個控制系統(tǒng)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(tǒng)速度環(huán)設計方案難以提高伺服驅動器速度跟隨與控制性能 。
伺服驅動器的工作原理

目前主流的伺服驅動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內(nèi)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，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。

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(jīng)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的說就是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(tǒng)的大規(guī)模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調(diào)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。

伺服驅動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關鍵作用。

伺服進給系統(tǒng)的基本要求

伺服進給系統(tǒng)的要求：

1、調(diào)速范圍寬

2、定位精度高

3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性

4、快速響應，無超調(diào)

為了保證生產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)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(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

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

對電機的要求

1、從低速到速電機都能平穩(wěn)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(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)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(shù)分鐘內(nèi)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，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。

4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。
伺服驅動器需要什么樣的脈沖？

正反脈沖控制（CW+CCW）；脈沖加方向控制（pulse+direction）；AB相輸入（相位差控制，常見于手輪控制）。

伺服驅動器主程序主要用來完成系統(tǒng)的初始化、LO接口控制信號、DSP內(nèi)各個控制模塊寄存器的設置等。

伺服驅動器所有的初始化工作完成后，主程序才進入等待狀態(tài)，以及等待中斷的發(fā)生，以便電流環(huán)與速度環(huán)的調(diào)節(jié)。

中斷服務程序主要包括四M定時中斷程序光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅動保護中斷程序、通信中斷程序。

伺服電動機的其他問題處理技巧

（1）電動機竄動：在進給時出現(xiàn)竄動現(xiàn)象，測速信號不穩(wěn)定，如編碼器有裂紋；接線端子接觸不良，如螺釘松動等；當竄動發(fā)生在由正方向運動與反方向運動的換向瞬間時，一般是由于進給傳動鏈的反向問隙或伺服驅動增益過大所致；

（2） 電動機爬行：大多發(fā)生在起動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良，伺服系統(tǒng)增益低及外加負載過大等因素所致。尤其要注意的是，伺服電動機和滾珠絲杠聯(lián)接用的聯(lián)軸器，由于連接松動或聯(lián)軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠與伺服電動機的轉動不同步，從而使進給運動忽快忽慢；

（3）電動機振動：機床高速運行時，可能產(chǎn)生振動，這時就會產(chǎn)生過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題，所以應尋找速度環(huán)問題；

（4）電動機轉矩降低：伺服電動機從額定堵轉轉矩到高速運轉時，發(fā)現(xiàn)轉矩會突然降低，這時因為電動機繞組的散熱損壞和機械部分發(fā)熱引起的。高速時，電動機溫升變大，因此，正確使用伺服電動機前一定要對電動機的負載進行驗算；

（5） 電動機位置誤差：當伺服軸運動超過位置允差范圍時（KNDSD100出廠標準設置PA17：400，位置超差檢測范圍），伺服驅動器就會出現(xiàn)“4”號位置超差報警。主要原因有：系統(tǒng)設定的允差范圍小；伺服系統(tǒng)增益設置不當；位置檢測裝置有污染；進給傳動鏈累計誤差過大等；

（6）電動機不轉：數(shù)控系統(tǒng)到伺服驅動器除了聯(lián)結脈沖+方向信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24 V繼電器線圈電壓。伺服電動機不轉，常用診斷方法有：檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有脈沖信號輸出；檢查使能信號是否接通；通過液晶屏觀測系統(tǒng)輸入/出狀態(tài)是否滿足進給軸的起動條件；對帶電磁制動器的伺服電動機確認制動已經(jīng)打開；驅動器有故障；伺服電動機有故障；伺服電動機和滾珠絲杠聯(lián)結聯(lián)軸節(jié)失效或鍵脫開等。

小結

綜上所述，數(shù)控機床伺服驅動器的正確使用除按用戶手冊正確設置參數(shù)外，還應結合使用現(xiàn)場和負載情況，靈活操作。實際工作中，使用者只有具備較強的參數(shù)理解能力和實踐技能，才能摸索出調(diào)試驅動器和電動機的技巧，才能用好伺服驅動和伺服電動機。