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快速了解伺服驱动器的工作原理

　　伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化;功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过.伺服电机从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。..文本标签：伺服电机 伺服驱动器　　伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化;功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

　　下面本文就为大家介绍一下伺服驱动器的工作原理。

　　伺服驱动器工作原理：

　　首先功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。据了解，松下伺服驱动器节能改造技术就是把传统的伺服电机换成伺服电机。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺服电机。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。

　　伺服驱动器一般都有三种控制方式：

　　位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺服电机。位置控制位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值，由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于***装置。

　　转矩控制转矩控制方式:

　　是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。（1）充磁需求有一定技术含量，通常为机外充磁与拆开充磁，前者合适一些定子磁场的充磁。应用主要在对材质的手里有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

　　速度模式通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行***，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。日弘忠信***代理日本松下齿轮马达、松下伺服马达、松下电工产品、富士伺服电机、富士触摸屏、SK精密行星减速机、新宝伺服减速机，同时经销台达、三菱、安川的工业自动化产品。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的***精度。

　　1)如果对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，用转矩模式。

　　2) 如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。

　　3) 如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点，如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，采用位置控制方式。伺服进给系统的要求

　　PID控制器：

　　1）PID控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。

　　2）PID控制的基础是比例控制;

　　积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调;微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

　　伺服驱动器简单地说，就是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于的***系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现的传动系统***，目前是传动技术的产品。

伺服电机只用一个连接，端口不用多线链接

　　传统的伺服电机通常会有 2 个或2个以上的电气连接端口，一个是动力电源，另一个为信号反馈，有的可能还会有一个单独的接口用于抱闸控制。松下伺服电机的发展历史你可知道，不清楚的不妨来看看小编的介绍吧。一般机器制造商和设备用户是比较愿意用只有一个电气端口的伺服电机，因为这样，伺服驱动器和电机之间就只需要使用一根线缆连接。但同时，他们也有会有所顾虑。设备用户愿意接受单线借口，是因为看到了线缆减少将带来的设备制造、使用、维护总体成本的优化。但同时也担心单电缆伺服产品应用到实际生产设备中时，是否可靠?

　　因为传统的伺服反馈技术，并不能很好的支持将伺服电机的电源动力和反馈信号整合在一根电缆中。

　　传统的伺服电机在反馈技术中采用的多为非数字式的信号传输方式。但复杂的信号编码接口需要占用较多的线缆芯数，如：Hiperface Steg 和 EnDat 2.1，仅数据线就需要 6 至8 芯，加上编码器电源和温控，需要用到超过 10 芯以上的反馈线缆。

　　同时，传统伺服电机的抗干扰能力相对较弱，所以需要在反馈传输线路上采取足够的信号保护措施，防止因电机数据反馈错误而造成的设备故障，所以这让伺服电缆的制造工艺变得极为复杂。不知道的没有关系下面看看小编是怎么解说的，一起来看看：松下伺服电机采用行业快的速度和***响应性，是***快速的装置。因此，在以往的运控设备系统中，为了确保设备运控系统稳定可靠的性能，即使是使用品质出众的伺服电缆，在系统集成时都需要非常严格的按照要求将伺服电机的动力和反馈线缆分开隔离敷设，更何况是把这两种完全不同类型的线路整合在一根电缆里面呢?

　　不过经过近几年数字式伺服反馈技术的发展，一大批基于此项技术的单电缆伺服产品，如伺服电机、电缆、接插件等的面市和普及，刷新了我们对伺服电机电气连接技术的认知。在华南、华东常设有***伺服检测维修中心，以及有着行业15年调试经验的工程师。前面我们说到，当伺服电机采用纯数字式反馈作为其信号输出方式，由电机到驱动器的数据反馈不再是多通道的并行传输，而是变成了单通道的串行通讯，因此其线缆连接只需使用两芯数字通讯线;

　　但如果能够将动力线通信 ( Power Line Communication)技术应用在伺服反馈上，将数字化的伺服反馈数据叠加在编码器电源线路上，就能够省去反馈信号传输对特定的通讯线缆的需要，将伺服反馈接口简化到只有两芯。驱动器的英文名叫driver，指的是驱动某类机械设备的一个驱动硬件，常用于机械加工设备等。此外，数字信号在传输时具有比较好的抗干扰能力。采用差分方式进行数字信号的传输，能进一步提升信号线路的抗干扰性能，再通过调制解调技术对数字信号进行解析，能够纠正其在长距离传输过程中因干扰或衰减而产生的错误。这些都在很大程度上提升了数字化伺服反馈的抗干扰性能。

　　数字化高速通讯技术带来的伺服反馈接口的简化和信号抗干扰能力的提升，也降低了运控设备系统对伺服反馈线缆的技术工艺要求和制造难度。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过。伺服电机的单电缆连接”概念在刚提出的时候，并未引起业内人士太多的注意，因为传统的伺服电机一直以来都是需要使用动力电源和反馈信号两根不同的线缆连接的。但简单了解一下单电缆连接技术的基本原理，以及伺服产品厂商和用户的日常生产工作流程，可以发现用户们其实非常希望看到设备系统中伺服驱动器和电机之间线缆连接数量的减少;而厂商们则更关心采用仅有两芯的伺服反馈接口以后，驱动和电机产品在结构上的简化。

　　单电缆技术的价值是显而易见的，能够帮助伺服系统减少至少一半以上的线缆数量和种类，带来成本优势。当径向电磁力波与定子的固有频率接近时，就会惹起共振，使振动与噪声大大加强，甚至危及直流伺服电机的使用寿命。机器制造商将因此节省大量与伺服线缆相关的应用成本，包括电缆桥架、线槽和电气柜等硬件成本，线缆敷设、接线、布线等工程实施成本，以及库存、备件等方面的物料供应和管理的物流成本;而机器设备的用户，也将有机会使用到结构更加简洁轻便、采购和应用成本更加优化的运控机械设备。但仍需引起注释的是，如果伺服驱动器与电机之间的线缆通过整合简化到只剩一根，这也会大大降低系统集成过程中与线缆敷设和连接相关的工程实施难度和出错概率。

　　如：将同一台伺服电机的线缆接到不同的驱动器上的错误肯定是不可能出现的了，同时布线和接线的排查也会变得极为简单;系统集成时也无需再考虑动力与反馈线缆分离或隔离敷设，因为伺服反馈的抗干扰问题已经在产品技术层面上解决了，运控设备的稳定性也因此得以提升等等。松下伺服电机设定频率为50~5000Hz，全部可进行浓度调整。

　　采用单电缆技术，能够帮助用户提升设备整体性价比和系统集成应用体验，同时还能够让他们在几乎不增加任何硬件成本的情况家从这项技术本身直接获益。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的***终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的***精度。如：因为简化了反馈信号端口、没有 了电机侧反馈端口、无需驱动器侧的模数转换模块，伺服驱动和电机产品的成本将因此优化，同时产品结构也变得更加紧凑轻便。对于终用户来说，机械设备的体积可以做到更小、重量做到更轻。同时数字化的传输还可以实现设备的状态监控——通过远程诊断识别和消除故障，通过预防性维护可以避免意外停机造成的损失。

　　目前***已经装机运行的单电缆伺服驱动电机系统有几十万套，分别来自不同厂家。答：松下伺服电机飞车这种现象比较常见，也的确非常***，关于松下伺服电机飞车的问题主要是四个方面的经验。尽管这个数字与整个运控设备市场相比仍然只是很少一部分，但我们已经能够看到越来越多的用户开始在设备中使用基于数字化反馈技术的单电缆伺服产品了，同时越来越多的产品厂商也已经将此项技术纳入其下一代电机和驱动产品的规划之中。

松下伺服电机的几个小常识

1、松下伺服电机选型的问题，究竟什么时候选择低惯量，什么时候选择中惯量？

答：通常情况下，为了满足伺服系统的高响应性，一般松下伺服电机都是选用小惯量的电机，又因为松下伺服电机的额定输出力矩（或额定输出功率）越大一般其转子转动惯量也越大，所以单纯讨论电机转动惯量的大小是没有意义的，真正应该讨论的是松下伺服电机的额定输出力矩与松下伺服电机的转动惯量的比值，或者说同样额定输出力矩（同样额定输出功率）的电机的转动惯量的大小。这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产生干扰，系统是不能克服的。松下伺服电机一般选择小惯量的松下伺服电机以满足较高的动态响应。当然根据松下伺服电机的具体应用环境，也可以选择中惯量，高惯量的松下伺服电机，比如松下伺服电机作为主轴，对于快速响应的要求不那么高的时候，但对速度控制要求非常确，并且经常要求运行在低速低频状态下，还要求能够有编码器信号输出的时候。而这个时候变频器却不能胜任。

2、松下伺服电机飞车的问题？

答：松下伺服电机飞车这种现象比较常见，也的确非常***，关于松下伺服电机飞车的问题主要是四个方面的经验。现有些变频也接受脉冲序列信号控制速度的，但好象不能直接控制位置。是因为外界干扰引起的松下伺服电机高速运转，这种情况都是伺服驱动器为位置脉冲控制方式，主要因为外部接线问题（如接屏蔽，接地等等）和驱动器内部的位置指令滤波参数设置问题而引起，这样的情况在绣花机，弹簧机上经常碰到，这种情况姑且也称为飞车。第二是松下伺服电机的编码器零偏（encoder offset）而引起的飞车，究其实质是编码器零位错误导致的飞车。第三是伺服驱动器进行全闭环控制时，位置环编码器故障导致的飞车。编码器损坏造成的飞车，质上是因为伺服系统没有位置反馈信号，所以伺服系统的位置偏差是无穷大，从而位置环输出的速度指令将是无穷大，于是伺服系统将以速度限制值进行高速旋转，形成飞车；第四种情况则是位置环编码器的接线错误，具体的就是信号A，A-的接线颠倒导致的。为什么出现这种情况呢，因为位置环编码器的接线一般是A，A-，B，B-，如果A，A-（或B，B-）信号接反的话，则形成正反馈，正反馈的后果就是必然导致飞车；第伍是位置偏差没有清除而导致的飞车，这种情况主要是发生在伺服驱动器位置脉冲指令控制下，并且伺服驱动器进行了力矩限制，力矩限制住后不能有效推动负载，导致位置偏差不断的累积，当解除力矩限制后，伺服系统急于去消除该偏差，以大加速度去运行，从而导致飞车，当然这种飞车不会持久，很快就会报警驱动器故障。

3、为什么松下伺服驱动器加上使能后，所连接的松下伺服电机的轴用手不能转动？

答：以伺服驱动器处于位置控制方式为例。2、采用独特的信号处理技术，开发出新的104万脉冲分辨率的20bit编码器。运用自动控制的基本原理就可以进行解释。因为伺服驱动器加上使能后，整个闭环系统就开始工作了，但这个时候松下伺服系统的给定却为零，假定伺服驱动器处于位置控制方式的话，那么位置脉冲指令给定则为零，如果用手去转动电机轴的话，相当于外部扰动而产生了一个小的位置反馈，因为这个时候的位置脉冲指令给定为零，所以就产生了一个负的位置偏差值，然后该偏差值与伺服系统的位置环增益的乘积就形成了速度指令给定信号，然后速度指令给定信号与内部的电流环输出了力矩，这个力矩就带动电机运转试图来消除这个位置偏差，所以当人试图去转动电机轴的时候就感觉转动不了。

4、松下伺服驱动器制动电阻选择的问题？

答：制动电阻的问题，这是个大问题。不必进行烦琐的振动频率测量，便可自动检测振动，而且还能轻松地自动设定陷波滤波器。当然从工程的角度来讲，因为有些东西无法准确的计算，为安全起见，对于频繁启动停止，频繁正反转的场合，可以简单的用能量守恒原理来进行计算。而对于制动电阻的阻值选择的一般规律是制动电阻的阻值不能够太大，也不能够太小，而是有一个范围的。如果阻值太大的话，简单点说，假如是无穷大的话，相当于制动电阻断开，制动电阻不起制动的作用，伺服驱动器还是会报警过电压；如果阻值太小的话，则制动的时候通过该电阻的电流就将非常大，流过制动功率管的电流也会非常大，会将制动功率管烧毁，而制动功率管的额定电流一般是等同于驱动管的，所以制动电阻的小值是不应当低于710/伺服驱动器的额定电流的（假定伺服驱动器是三相380V电压输入）。另外制动电阻分为两种：铝合金制动电阻和波纹制动电阻。当然网上资料说两种制动电阻各有优劣，但是我想对于一般的工程应用应该是都可以的。另外对于变频器的制动电阻的选择原理上与伺服驱动器是相似的。

5、松下伺服驱动器电子齿轮比的设置的问题？

答：这里首先要区分伺服的控制方式，当然这里假定伺服是以接受脉冲的方式来控制的（伺服如果以总线的方式来控制的话，伺服驱动器就不用设置电子齿轮比了，但是在上位系统中却会有另外一个东西需要设置，这个东西就是脉冲当量，本质上和伺服驱动器的电子齿轮比是一回事），然后还有伺服是位置控制方式还是速度控制方式或力矩控制方式的问题，如果伺服是速度控制方式或力矩控制方式的话，显然电子齿轮比的设置就失去了意义。松下伺服电机拥有高速响应、超小型、轻巧、超静音、使用安全、智能化、稳定性好、报警功能强大等特点，广泛应用于数控机床、纺织、印刷等领域。也就是说电子齿轮比的设置仅在位置控制方式的时候才有效。还有个问题就是伺服是作为直线轴还是作为旋转轴来使用。对于绣花机来说，X轴，Y轴，M轴，SP轴都是直线轴，因为大豪上位认为是1000个脉冲为一转，所以对于这些轴的电子齿轮比的设置实际上是机械减速比与8的乘积，而对于D轴，H轴来说，则是旋转轴，大豪上位认为8000个脉冲对应360度，所以电子齿轮比设置为8000/360=200/9。对于弹簧机各轴来说，其实也存在直线轴和旋转轴的问题，比如凸轮轴，螺距轴，切刀轴就是旋转轴，而送线轴则是直线轴，不过实际上在伺服驱动器里电子齿轮比一般设置为1/1，而将电子齿轮比的功能的设置放在弹簧机上位上进行，当然在弹簧机上位里换了个叫法，叫着解析度，解析度分子的计算，旋转轴（凸轮轴，螺距轴，切刀轴）=360乘以100，直线轴（送线轴）=圆周率乘以直径乘以100；解析度分母的计算：伺服马达编码器的分辨率*信号倍率*齿轮比。

松下伺服电机在数控机床上的应用

　　松下伺服电机目前共有松下伺服A系列、A4系列、A5系列、A52系列、NEW-E系列等产品，在国内市场占有率极高。当然网上资料说两种制动电阻各有优劣，但是我想对于一般的工程应用应该是都可以的。松下伺服电机拥有高速响应、超小型、轻巧、超静音、使用安全、智能化、稳定性好、报警功能强大等特点，广泛应用于数控机床、纺织、印刷等领域。

　　数控机床行业对设备的精度等特性要求很高，据了解，松下伺服电机广泛应用于数控机床领域，是该行业伺服设备的主要应用品牌之一。松下伺服电机在数控机床上的应用。既然这样为了降低成本，用户应做好伺服电机的日常维护工作，以延长其使用寿命。

　　一、定期清洁电机，特别注意不要把水、灰尘等杂物弄到电机内。

　　二、注意检查轴承发热、漏油等现象，按照规定加油，保证其温升不超过额定值。

　　三、根据说明书标准安装、启动、制动电机，并伺服电机正常运行情况下，保证其工作对电源供应质量在容许范围内。

　　四、伺服电机运行时，会遇到很多突发情况，应采取运行保护措施。