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，目前是傳動技術的高端產(chǎn)品。
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。
伺服驅動器的控制方式
一般伺服都有三種控制方式：位置控制方式、轉矩控制方式、速度控制方式。
1、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值，由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。
2、轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質的手里有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。
3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。
如果對電機的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個恒轉矩，當然是用轉矩模式。
如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉矩不是很關心，用轉矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。
如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會好一點，如果本身要求不是很高，或者基本沒有實時性的要求，采用位置控制方式。
伺服驅動器對電機的主要控制方式
伺服驅動器對電機的主要控制方式為：位置控制、速度控和轉矩控制。
位置控制：是指驅動器對電機的轉速、轉角和轉矩均于控制，上位機對驅動器發(fā)脈沖串進行轉速與轉角的控制，輸入的脈沖頻率控制電機的轉速，輸入的脈沖個數(shù)控制電機旋轉的角度。
速度控制：是指驅動器僅對電機的轉速和轉矩進行控制，電機的轉角由CNC取驅動器反饋的A、B、Z編碼器信號進行控制，CNC對驅動器發(fā)出的是模擬量（電壓）信號，范圍為+10V～-10V，正電壓控制電機正轉，負電壓控制電機反轉，電壓值的大小決定電機的轉數(shù)。
轉矩控制：是指伺服驅動器僅對電機的轉矩進行控制，電機輸出的轉矩不在隨負載變，只聽從于輸入的轉矩命令，上位機對驅動器發(fā)出的是模擬量（電壓）信號，范圍為+10V～-10V，正電壓控制電機正轉，負電壓控制電機反轉，電壓值的大小決定電機輸出的轉矩。電機的轉速與轉角由上位機控制。
選型篇
伺服驅動器選型6大關鍵性參數(shù)
伺服系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。
伺服驅動器屬于伺服系統(tǒng)的一部分,用來控制伺服電機，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，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馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產(chǎn)品。
選擇一款合適的伺服驅動器需要考慮到各個方面，這主要根據(jù)系統(tǒng)的要求來選擇，在選型之前，首先分析以下系統(tǒng)需求，比如尺寸、供電、功率、控制方式等，為選型定下方向。下面我們來看一下伺服驅動器的各方面參數(shù)。
1.持續(xù)電流、峰值電流；
2.供電電壓、控制部分供電電壓；
3.支持的電機類型、反饋類型；
4.控制模式、接受命令的形式；
5.通訊協(xié)議
6.數(shù)字IO
根據(jù)這些信息我們大致能選出與電機匹配的伺服驅動器。除此之外，還要注意工作環(huán)境，溫濕度情況，安裝是尺寸是否合適等。
選擇驅動器是不僅考慮驅動器是否與電機匹配，還要考慮控制方式等。伺服驅動器有三種控制方式：位置、速度、力矩模式。力矩模式和速度可以通過外界的模擬量輸入或者通訊命令設定轉矩大小，位置模式則是通過脈沖的頻率和個數(shù)來確定運動的速度和運動長度。力矩模式下電機輸出一個固定的力矩，對位置、速度無法控制。位置模式對速度和位置有很嚴格的控制，一般用于定位裝置。可根據(jù)系統(tǒng)的需求，和上位控制類型，選擇合適的控制方式。
現(xiàn)在伺服驅動器的越來越智能化，不僅支持各種類型的伺服電機，還兼容多種類型的反饋，可接收模擬量、PWM、脈沖+方向和軟件命令，通信支持CANopen、Ethercat等。提供三環(huán)控制和換向功能，在智能一鍵調諧等。使用十分方便，有較高控制精度，使系統(tǒng)的性能有大幅提升，為開發(fā)人員的節(jié)省大量的時間。
伺服驅動器選型9個參考因素
我們在為特定的應用選擇合適的伺服系統(tǒng)時，是有很多因素需要考慮的。為了實現(xiàn)整個伺服系統(tǒng)的最優(yōu)性能，有一下9方面需要著重考慮。
1、電機規(guī)格的選擇
電機啟動時，有3個最重要的標準：轉速、轉矩和轉動慣量。
前面兩個標準顯而易見，一般情況下，可利用生產(chǎn)制造商提供的“選型”軟件進行計算。使用這些程序時，輸入應用中所需的運動類型，軟件根據(jù)負載和傳動的類型（變速箱、皮帶、齒條和齒輪、滾珠絲桿等），就可以自動計算所需的轉矩和轉速。
雖然轉動慣量不是那么直觀，但是同樣重要。由于在大多數(shù)的軸聯(lián)器與其連接的機械傳動裝置之間，有某種程度的依從性，所以至關重要的一點是與電機的轉動慣性相比，負載的反射慣性不能太大。
由于兩者比例上升增加，會導致調節(jié)難度顯著增加。隨著調節(jié)算法的發(fā)展、微處理器速度的提升，允許的比例也隨之增加，但是傳統(tǒng)上使用的10：1的負載-電機慣性比，是一個比較安全的選擇。
2、負載連接
電機是否應該直接連接？有些伺服裝置，允許將負載直接連接到電機的轉子上。在最小依從性以及較低的加/減速率的情況下，可以實現(xiàn)超過100:1的慣性比。生產(chǎn)制造商提供的選型軟件，是調整這些設計準則以將系統(tǒng)的慣性比限制在適當范圍之內的最佳工具。
3、能源再生利用
在很多應用場合中，伺服系統(tǒng)需要考慮的另一個因素，是處理電機及負載所產(chǎn)生的可重復利用能源的能力。這里涉及到的是伺服系統(tǒng)的放大器。當電機的轉矩在某一方向，而電機的運動方向則與其相反，那么電機會將再生能源傳回放大器。這是因為電機和發(fā)電機的基本設計是一樣的。
將能量傳遞給電機的繞組，將會產(chǎn)生電磁場，這樣電機的轉子及永磁體就會隨之轉動。與此類似，當電機轉子轉動時，永磁體勵磁將能量傳遞給繞組。驅動利用再生能源有很多不同的途徑。某些小型的驅動利用母線電容器來吸收這些能量，而更大一點的驅動則是用內部電阻發(fā)熱來消耗這些熱量。生產(chǎn)制造商提供的選型軟件，一般會給出是否需要能量再生工藝。
4、有效線路再生
對于一些大型的系統(tǒng)一般配有轉換器，這樣就可以將能量傳回到為系統(tǒng)供電的電源回路上。在選擇伺服系統(tǒng)時，如果設計電機和負載之間允許的慣性不匹配，另外一個需要考慮的因素是驅動器能夠處理的再生能源的數(shù)量。
在處理超量的再生能源應用時，一般情況下會將外部功率電阻連接至放大器。當重力成為一個考慮因素，并且需要快速降低較大的慣性負載時，這些應用一般垂直布置。顯而易見，除了再生功能，放大器還需要為電機提供適當?shù)碾妷汉碗娏?，以便實現(xiàn)所需的轉速和轉矩。為電機和放大器選擇合適的功率需求，僅僅是個開始。
5、控制系統(tǒng)需求
下一步，需要處理控制方面的需求。讓我們先回到電機。按照定義，伺服系統(tǒng)總是需要一個反饋裝置。目前，反饋裝置一般是高分辨率的解碼器或分解器。為了確保能夠滿足所需的定位精度，反饋裝置必須具有適當?shù)姆直媛蕘韺崿F(xiàn)可重復性和精度。放大器還必須與來自于安裝在電機上的反饋裝置的信號類型兼容。
6、定位精度
習慣上，解碼器在兩個通道上通過脈沖序列來傳遞位置和轉速信息，并將其傳回放大器。然而，由于這些解碼器的精度已經(jīng)大大提高，有些生產(chǎn)制造商開始使用具有較高傳輸速率的串口解碼器，而不是脈沖序列來傳遞這些信息數(shù)據(jù)包。這些串口解碼器能夠傳遞具有較高分辨率的信號，從而對噪音具有更高的抗干擾能力，并且可以提供其它類型的信號。這些附加信息，包括電機溫度甚至是電機的部件號。
在伺服系統(tǒng)中，當電機和放大器由同一個生產(chǎn)制造商供應時，反饋裝置能夠識別電機并將其傳遞給放大器的能力，使其可以自動為優(yōu)化運行和電機保護設立內部參數(shù)。
7、通訊連接性能
當具有驅動和反饋裝置的電機和放大器之間相互匹配，并且具有應用所需的分辨率時，就可以開始考慮放大器和運動控制器之間的指令信號了。對于單軸應用，比較常見的是將控制器嵌入或者附著在放大器的一側。某些應用則將其集成到更高一級的控制系統(tǒng)中?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）或者可編程自動控制器（PAC）可以控制整個單元或生產(chǎn)線，并通過數(shù)字輸入/輸出（I/O)或通訊協(xié)議，比如EtherNet/IP
或 ModbusTCP/IP，將這些信息傳遞給單運動軸控制器。
8、控制接口選擇
在多軸應用中，控制器一般是獨立的。傳統(tǒng)上，控制器發(fā)出的指令一般為+10V信號，代表轉速或力矩。現(xiàn)在，大多數(shù)生產(chǎn)制造商提供基于網(wǎng)絡的解決方案。這些基于網(wǎng)絡的解決方案接線工作量較少，可以處理更高分辨率的反饋，并且能夠從放大器收集到更多的診斷信息。有很多種運動網(wǎng)絡可以使用，每種都有其優(yōu)點和不足。
9、運動控制網(wǎng)絡的選擇
很多比較新的運動控制網(wǎng)絡都基于以太網(wǎng)硬件，并且充分利用其不斷增加的速率和逐步降低的成本。但是，不能因為在放大器上有RJ-45接口，就認為它一定能與相關的控制器或網(wǎng)絡的其它部分兼容。
在這些網(wǎng)絡上運行的協(xié)議將決定系統(tǒng)的兼容性。EtherCAT、Mechatrolink III和Powerlink是基于以太網(wǎng)協(xié)議、適合于運動控制的幾種高速確定性網(wǎng)絡。
基于網(wǎng)絡的伺服系統(tǒng)，一般會配置能夠使用諸如Modbus TCP/ IP 和EtherNet/IP等常見工業(yè)協(xié)議的以太網(wǎng)端口，以便向監(jiān)控網(wǎng)絡報告診斷和產(chǎn)品信息。
