伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，伺服驱动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。 目前主流的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，事项数字⌒　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,在主回路中还加入软〇启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 功率驱动单元首先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①的直流电。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三相永磁式同步交流伺▂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。

　　伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控◢制方式，主要应用于高精度的定位系统，目♂前是传动技术的高端。

伺服驱动器的规〒格与选择⊙

伺服驱动系统的应用非常广泛，举凡需要々做速度控制、位置控制、轨迹控制、追踪控制与同步运转控制等场合，都是它主要的应用范围。在不同的运用场合虽然要求的特性规格与操作界面会有所不同，但其应用方法与控制原理可说是大同小异。本文将说明直流伺服驱动系统的ㄨ组成，伺服系统要∏求规格，驱动器的规格、型式、特性与工作原理，最后再介绍一些应用实例。

一个伺服电机驱动系统的基本结▓构如图1所示，通常包含三个主要部份：伺服◆电动机、速度回路驱动器与位置回路控制器◥。伺服电机可根据应用的需要而决∏定是否加装转速计(tachometer)、光编码器(photo encoder)或剎车(braker)。一般商品化的伺服驱动器即是指速度回路驱动器，其中包含了功率放大器与速度回路控制器，并包含适当的应用界面电︼路，因而能够∑根据应用场合做适当的组合。位置控制器一般包含位置控制器与计算机或数字界面，亦包含一些较高层次¤的位置命令与参数调整等界面设定，通常为一可单独销售的产品。

附录A为日本山√洋╲(SANYO)公司出品的PDT系列直流伺服驱动∩器的规格书，其主要规格如表㊣　1所列。以PDT-093-10为例，其配合直流伺服 电机为SM60-201，转子惯量为0.27×10-3Kg．cm sec2。主回路(main circuit)是指其功率级所采用的功率转换方式，为晶体管脉宽调变(PWM)型，可逆是指可工作于正反转，因此可▲工作于四象限工作区。减定规格(wave factor) 或称之为 derating factor 为波形率(form factor)的倒数。

     直流伺服驱动器的wave factor系指其输 出电ω流的平均值与rms的比值，其越接近1越好，这表示其涟波电流越小，所造成的rms扭矩↑损也就越小，因此系统的效率也就越高。大多数的直流伺服驱动器均为模拟电压的转速输入命令，输入命令电压通常介于±10V，输入阻抗通常为10KΩ。一般工业级伺服驱动器的瞬ζ时最大输出电流约为其ㄨ额定输出电流的2～3倍，瞬时最大输出电流直接关系到驱动系统的加速能♂力、伺服刚性与频宽，因此是重要的性能指针。

在选定伺服驱动器时，其速度控制ㄨ范围与速度调节(speed regulation)的能力亦是重要的考虑因素。速度控制范围直接影响到低∏速与高速运♂动的能力，一般的伺服驱动器其速控比(最高转速／最低转速)通常大于1000。速度调节主要是指在环境变动或负载波动下其维☉持定速的能力，定义『的项目通常包含：负载变动、电源电压变动与温度变动。反应时间(response time)为瞬时响应的重要指标，0-1000 rpm的反应时间为↙一般参考标准。在额定负载下的◇最高转速反应时间，在设计位置回路控制器时亦为重要的参考指标。加ξ　减速特性主要指在最高转速的步阶响应其加★减速的特性，图2(a)为直∑线一段加减速，图2(b)为直线两段加∩减速， 图2(c)为指数曲线加减速。一般的伺服驱动器均为直线一段线性加速，但亦可根据实际应用需要选择不同加速曲线的驱动器，或在外回路位置控制加以修改。

由于伺服驱动系㊣统大多应用于高精密快速响应的转速或位置控制系统，因此其闭回路特性就相当重要，表1的闭回路☆特性包含了：位置刚度(position stiffness)、1000 rpm时的回路增益(loop gain)与最高转速(2400 rpm)时的回路增益。

型 式 Type 单位 PDT-093-10 PDT-093-20 PDT-093-30

配适电机 Matching DC Servo Motor - SM60-201 SM80-201 U505T-002

转子贯量 Rotor Inertia Kg．cm．sec2 0.27 × 10-3 1.1 × 10-3 0.39 × 10-3

电 源 Power Reruirements - AC200/220 ±10%, 50/60Hz, 单相

电源电流 Line Current A 1.5 2 1

周围条件 Enviromental Spec. - 温度：0~50C 湿度：35~85%

主 回 路 Main Circuit - 晶体管PWM四象限

减定格率 Wave Factor % 95 以上

速度回授 Speed Feedback - MCTG相当(3V±5%/1000rpm) 7V+3V,

-0V/1000rpm

输 入

Input 指令电压 Command V. V/1000rpm DC±3

Input Impedance 约10

最大出力电压 Max. Output V. V DC±130 DC±130 DC±130

额定输〓出电压 Rated Output Cur. A DC±1.5 DC±2 DC±1.1

瞬时最大输出电流.

Max. Inst. Output Cur. 高速时 A DC±3 DC±4.5 DC±2.5

额定扭矩

Rated Torue 1000rpm Kg．cm 27 6 1.3

最高速度 Kg．cm 27 6 1.3

瞬时最大扭矩

Max. Inst. Torque 0~1000rpm Kg．cm 5.3 14 3.7

1000rpm~Max. Speed Kg．cm 5.3 14 3.7

速度控制范围 Speed Cntrol Range rpm 2400~1 1200~1 3000~1

速度变动

Speed Variation 负荷变 动 0~100% rpm 0.01

电源电压变动 ±10 rpm 0.01

温度变动 0~50C rpm 0.5

反应时间

Response Time 01000rpm(90%) ms 10 13 15

0最高速率 (90%) ms 30 16 45

加减速特性 Accel.Dclr. Chrst. - 直线1段

闭路特性

Closed Loop Chrst. Posn. Stiffness Kg．cm/0.01 3.5 10 2.5

Loop Gain (1000rpm) sec-1 120 120 120

Loop Gain (Max. Speed) sec-1 70 70 70

外部电流限制 External Cur. Limit -

保护机能 Protection - 电源电压低下、过速度、过电流、过负荷、TG异常

重 量

Weight Servo Ampl. kg 1.0 1.0 1.0

Power Xfmr. kg 5.5 5.5 4.0

Choke Coil kg

假设一个伺服驱动系统的速度控制回路的回路转换函数(loop transferfunction)为GLV(s)，则其静态回路增益(static loop gain)为即为其位置误差常数(position error constant)。实际的控制系统均有某一个程度的非线性特性，因※此在实际量测一个控制系统的回路∮增益时均是在闭路控制的情况下，选择一个工作点再利用频率响应分析仪(frequency response analyzer)量测其小信号的回路增益，因此测试结果常标示其工作点。直流伺服驱动器本身受到输出电压电流的限制，因此也可以说是一个非线性控制系统，当电机输出扭矩与转速愈高时，所受到的非线性限制也就愈大，因此在转速较高的工作点所测得的回路增益一般均较小。

选择伺服驱》动器时应注意伺服驱动器与其所配对的电机的扭矩／转速工作区，如图4所示。图5为直流伺服驱动器与直流伺服电▓机的基本接线图。为了降低电枢线圈的涟波电流，可加上一个扼流圈(choke)与 电机线圈≡串联，但如此也会▅加长电机的电气时间常数(electrical time constant)，而降低了』动态响应的性能，在使用上需整体考虑。主电源的隔离变压器可提供电压匹配与隔离的功能，但体积大且笨重，在选择时需多加考虑。一般功率较大的驱动器其功率级与信号级均完全隔离以避免 di/dt 与 dv/dt 噪声的干扰，这类的驱动▓器与市电连接时可不必再多加隔离变压器。

直流伺服驱动系统的特性

一个较完整的直流伺服驱动控制系统，包括传动机械在内，其控制方块图如ζ　图6所示。中央的虚线部份为直流伺服电机的

选型步骤大体如下：

1．需求分析。

确定转速、转矩、转速精度或定位精度、安装尺寸、是否需要闭环↓、成本；

2．选择电机。

首先确定电机类型；

然后根据』转速、转矩、安装尺寸选ξ择电机；

3．选择反馈○元件

根据是否需要闭㊣环，决定是否选用反馈元件，如编码器、测速机、旋变等；

根据转速精度或定位精度选择反馈元件的类型及参数。

4．选择驱动器。

根据电机功率，和以上综合因素◥选择驱动器；

选择驱动器时，不仅需考虑和电机的匹○配，还需考 虑控制ζ方式。选择适合自己控制器的控制方式，也很重要。

主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减↑速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直「流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。

       选择合适的伺服电机系统需要◥知道的技术数据╲有：

1。力矩范围 中小力矩（一般在20Nm以下） 小中大，全范围

2。速度范围 低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小◥于1000RPM） 高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分

3。控制方式 主要是位置控制 多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式

4。。平滑性 低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善） 好，运行平滑

5。精度 一般较低，细分型驱动时较高 高（具体要看反馈装置的分辨率）

6。矩频特性 高速时，力矩下降快 力矩特性◆好，特性较硬

7。过载特性 过载→时会失步 可3~10倍过载（短时）

8。反馈方式 大多数为开环控制，也可接编码⊙器，防止失步 闭环方式，编码器反馈

9。编码器卐类型 - 光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型

10。响应速度 一般 快

11。耐振动 好 一般（旋转变压器型可耐振动）

12。温升 运行温＠度高 一般

13。维护性 基本可以免维护 较好

14。价格 低 高

伺服系统分直流伺服和交流伺服。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启√动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工●业和民用场合。

无刷电机体◥积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实︾现智能化，其电●子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温╳度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

交流伺服电机也是无ξ刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制々中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。