隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器使用、伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來(lái)越多工控技術(shù)服務(wù)商對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

基本要求

伺服進(jìn)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(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性

4、快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)

為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)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(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，減小輪廓過(guò)渡誤差。

5、低速大轉(zhuǎn)矩，過(guò)載能力強(qiáng)

一般來(lái)說(shuō)，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過(guò)載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過(guò)載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。

對(duì)電機(jī)的要求

1、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。

2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4～6倍而不損壞。

3、為了滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。

4、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

測(cè)試平臺(tái)

目前，伺服驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試平臺(tái)主要有以下幾種：采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對(duì)拖的測(cè)試平臺(tái)、采用可調(diào)模擬負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)、采用有執(zhí)行電機(jī)而沒(méi)有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)、采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)和采用在線測(cè)試方法的測(cè)試平臺(tái) 。

1采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對(duì)拖的測(cè)試平臺(tái)

這種測(cè)試系統(tǒng)由四部分組成，分別是三相PWM整流器、被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及上位機(jī)，其中兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器互相連接。被測(cè)電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來(lái)控制整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)速，負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過(guò)控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的電流來(lái)改變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，模擬被測(cè)電機(jī)的負(fù)載變化，這樣互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)節(jié)，完成各種試驗(yàn)功能測(cè)試。上位機(jī)用于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，根據(jù)試驗(yàn)要求向兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令，同時(shí)接收它們的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。

對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng)，采用高性能的矢量控制方式對(duì)被測(cè)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載設(shè)備分別進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩控制，即可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能，完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。但由于使用了兩套伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，所以這種測(cè)試系統(tǒng)體積龐大，不能滿(mǎn)足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測(cè)量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。

2采用可調(diào)模擬負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)

這種測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、可調(diào)模擬負(fù)載及上位機(jī)?？烧{(diào)模擬負(fù)載如磁粉制動(dòng)器、電力測(cè)功機(jī)等，它和被測(cè)電動(dòng)機(jī)同軸相連。上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)控制可調(diào)模擬負(fù)載來(lái)控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)可調(diào)模擬負(fù)載進(jìn)行控制，也可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能，完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。但這種測(cè)試系統(tǒng)體積仍然比較大，不能滿(mǎn)足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測(cè)量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。

3采用有執(zhí)行電機(jī)而沒(méi)有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)

這種測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成，分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器按照指令開(kāi)始運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。由于這種測(cè)試系統(tǒng)中電機(jī)不帶負(fù)載，所以與前面兩種測(cè)試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)體積相對(duì)減小，而且系統(tǒng)的測(cè)量和控制電路也比較簡(jiǎn)單，但是這也使得該系統(tǒng)不能模擬伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)行情況。通常情況下，此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)僅用于被測(cè)系統(tǒng)在空載情況下的轉(zhuǎn)速和角位移的測(cè)試，而不能對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的測(cè)試。

4采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)

這種測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)固有負(fù)載及上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服系統(tǒng)按照指令開(kāi)始運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。

對(duì)于這種測(cè)試系統(tǒng)，負(fù)載采用被測(cè)系統(tǒng)的固有負(fù)載，因此測(cè)試過(guò)程貼近于伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際工作情況，測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確。但由于有的被測(cè)系統(tǒng)的固有負(fù)載不方便從裝備上移走，因此測(cè)試過(guò)程只能在裝備上進(jìn)行，不是很方便。

5采用在線測(cè)試方法的測(cè)試平臺(tái)

這種測(cè)試系統(tǒng)只有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)字采集系統(tǒng)將伺服驅(qū)動(dòng)器在裝備中的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集和調(diào)理，然后送給數(shù)據(jù)處理單元供其進(jìn)行處理和分析，最終由數(shù)據(jù)處理單元做出測(cè)試結(jié)論。由于采用在線測(cè)試方法，因此這種測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且不用將伺服驅(qū)動(dòng)器從裝備中分離出來(lái)，使測(cè)試更加便利。此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)完全根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行測(cè)試，因此測(cè)試結(jié)論更加貼近實(shí)際情況。但是由于許多伺服驅(qū)動(dòng)器在制造和裝配方面的特點(diǎn)，此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)中的各種傳感器及信號(hào)測(cè)量元件的安裝位置很難選擇。而且裝備中的其它部分如果出現(xiàn)故障，也會(huì)給伺服驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)造成不良影響，最終影響其測(cè)試結(jié)果。

目前伺服驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)級(jí)普遍采用以高壓IGBT為核心的功率集成模塊（PIM）和智能功率模塊（IPM）技術(shù)，也有一部分百瓦量級(jí)和低于百瓦的小功率伺服和低壓伺服采用分立元件的IGBT或者功率MOS管做功率變送，這樣做的理由主要是出于成本和安裝結(jié)構(gòu)的考慮，對(duì)于低壓伺服而言，往往還會(huì)使用m?級(jí)導(dǎo)通電阻的低壓大電流功率MOS管，以降低飽和電壓，減少導(dǎo)通損耗，提高驅(qū)動(dòng)器效率，縮小驅(qū)動(dòng)器的總體結(jié)構(gòu)尺寸。

功率集成模塊（PIM）內(nèi)部多為內(nèi)部集成了6管或7管IGBT管芯并包括相應(yīng)的高速續(xù)流保護(hù)二極管的三相全橋結(jié)構(gòu)，有的還在內(nèi)部集成了三相或者單相全橋整流輸入以及用于模塊溫度檢測(cè)的熱敏電阻，PIM的著名生產(chǎn)廠家包括德國(guó)的Eupec、Semikon、Tyco、Vishay（IR相關(guān)業(yè)務(wù)）公司，日本的富士公司，以及美國(guó)的Microsemi（原APT）公司等。

智能功率模塊（IPM）的內(nèi)部不經(jīng)集成了IGBT管芯和續(xù)流二極管，而且也集成了各個(gè)IGBT管芯的柵極驅(qū)動(dòng)電路，這正是IPM名稱(chēng)的由來(lái)和區(qū)別于PIM的關(guān)鍵所在。最新的600V中小功率IPM還集成了為高端橋臂IGBT管芯的柵極驅(qū)動(dòng)電路提供供電電源的自舉電路和高壓電平轉(zhuǎn)移和隔離電路。IPM多為直接構(gòu)成三相全橋的6管結(jié)構(gòu)，個(gè)別IPM中包含有三相全橋整流輸入，因此一般需要在相應(yīng)的伺服應(yīng)用中添加額外的再生制動(dòng)IGBT單管及其驅(qū)動(dòng)，以及三相或者單相全橋整流。IPM的著名生產(chǎn)廠家包括日本的三菱和東芝公司，美國(guó)的Fairchild等公司。

IPM的使用一般只需為模塊中已經(jīng)集成的IGBT管芯驅(qū)動(dòng)電路提供合適的隔離供電電源和經(jīng)高速光耦隔離傳輸?shù)腜WM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。對(duì)于某些IPM而言，高端IGBT管芯驅(qū)動(dòng)電路的隔離供電電源也可以直接使用其自身集成的自舉電路產(chǎn)生，不過(guò)這樣做，最好在每一個(gè)PWM周期都為自舉電路留出足夠的自舉充電時(shí)間，因而會(huì)降低PWM周期的有效占空比，今兒降低驅(qū)動(dòng)器的電壓利用率。對(duì)于具備高壓電平轉(zhuǎn)移和隔離電路的IPM而言，PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)原則上可以直接和來(lái)自控制電路的邏輯信號(hào)互聯(lián)，不過(guò)出于安全考慮，尤其是操作者的人身安全，一般還是主張通過(guò)高速光耦隔離傳輸，在電氣上實(shí)現(xiàn)功率級(jí)和控制級(jí)的徹底隔離。

由于PIM內(nèi)部沒(méi)有集成IGBT管芯的柵極驅(qū)動(dòng)電路，因此PIM的使用必須配合相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)芯片。主流的柵極驅(qū)動(dòng)芯片有集成高速光耦和柵極驅(qū)動(dòng)電路以及相應(yīng)的故障保護(hù)電路的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)光耦，生產(chǎn)廠商包括美國(guó)的Avago和Fairchild公司，日本的東芝和夏普公司；也有采用高壓電平轉(zhuǎn)移和隔離電路以及自舉供電電路的高耐壓柵極驅(qū)動(dòng)芯片，生產(chǎn)廠商包括美國(guó)的IR和Fairchild公司；還有一些柵極驅(qū)動(dòng)芯片只包含柵極驅(qū)動(dòng)電路，隔離供電和信號(hào)隔離需要另外提供。