伺服系統(tǒng)和變頻器有哪些區(qū)別？伺服控制系統(tǒng)的組成介紹！
伺服驅(qū)動(dòng)器是用來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的，伺服電機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)，也可以是交流異步電機(jī)，主要為了實(shí)現(xiàn)快速、精確定位，像那種走走停停、精度要求很高的場合用的很多。
變頻器就是為了將工頻交流電變頻成適合調(diào)節(jié)電機(jī)速度的電流，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，現(xiàn)在有的變頻器也可以實(shí)現(xiàn)伺服控制了，也就是可以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，但伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻器還是不一樣的！可伺服和變頻器的區(qū)別究竟是什么？小編根據(jù)多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，給您做一個(gè)詳細(xì)的介紹。
兩者定義
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素等功能。變頻器可驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)、普通交流電機(jī)，主要是充當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的角色。變頻器通常由整流單元、高容量電容、逆變器和控制器四部分組成。
伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。
伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。
伺服系統(tǒng)按所用驅(qū)動(dòng)元件的類型可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。最基本的伺服系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件(電機(jī)、液壓缸)、反饋元件和伺服驅(qū)動(dòng)器。若想讓伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)順利還需要一個(gè)上位機(jī)構(gòu)，PLC、以及專門的運(yùn)動(dòng)控制卡，工控機(jī)+PCI卡，以便給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令。
兩者工作原理
變頻器的調(diào)速原理主要受制于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、異步電動(dòng)機(jī)的頻率f、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s、電動(dòng)機(jī)極對數(shù)p這四個(gè)因素。轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0-50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。
伺服系統(tǒng)的工作原理簡單的說就是在開環(huán)控制的交直流電機(jī)的基礎(chǔ)上將速度和位置信號(hào)通過旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等反饋給驅(qū)動(dòng)器做閉環(huán)負(fù)反饋的PID調(diào)節(jié)控制。再加上驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流閉環(huán)，通過這3個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的輸出對設(shè)定值追隨的準(zhǔn)確性和時(shí)間響應(yīng)特性都提高很多。伺服系統(tǒng)是個(gè)動(dòng)態(tài)的隨動(dòng)系統(tǒng)，達(dá)到的穩(wěn)態(tài)平衡也是動(dòng)態(tài)的平衡。
兩者區(qū)別
交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機(jī)的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機(jī)的控制方式來實(shí)現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的各類晶體管(IGBT，IGCT等)通過載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動(dòng)電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機(jī)的速度就可調(diào)了(n=60f/p，n轉(zhuǎn)速，f頻率，p極對數(shù))。
1. 過載能力不同
伺服驅(qū)動(dòng)器一般具有3倍過載能力，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩，而變頻器一般允許1.5倍過載。
2. 控制精度
伺服系統(tǒng)的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻，通常伺服電機(jī)的控制精度是由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。有些伺服系統(tǒng)的控制精度甚至達(dá)到1：1000。
3. 應(yīng)用場合不同
變頻控制與伺服控制是兩個(gè)范疇的控制。前者屬于傳動(dòng)控制領(lǐng)域，后者屬于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。一個(gè)是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求的是低成本。另一個(gè)則是追求高精度、高性能、高響應(yīng)。
4. 加減速性能不同
在空載情況下伺服電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加工到2000r/min，用時(shí)不會(huì)超20ms。電機(jī)的加速時(shí)間跟電機(jī)軸的慣量以及負(fù)載有關(guān)系。通常慣量越大加速時(shí)間越長。
兩者的市場競爭
由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應(yīng)用也不大相同，主要的競爭集中在：
1.技術(shù)含量競爭
在相同的領(lǐng)域中，若采購方對機(jī)械的技術(shù)要求較高并較為復(fù)雜，則會(huì)選擇伺服系統(tǒng)。反之則會(huì)選擇變頻器產(chǎn)品。如一些數(shù)控機(jī)床、電子專用設(shè)備等高科技機(jī)械均會(huì)首選伺服產(chǎn)品。
2.價(jià)格競爭
大多數(shù)采購方會(huì)顧慮成本，常常把技術(shù)忽略而首選價(jià)格較低的變頻器。眾所周知，伺服系統(tǒng)的價(jià)格差不多是變頻器產(chǎn)品的幾倍。
盡管目前伺服系統(tǒng)的應(yīng)用還未普及，尤其是國產(chǎn)伺服系統(tǒng)，被應(yīng)用的場合相比進(jìn)口伺服產(chǎn)品少之甚少。但隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，人們將逐漸意識(shí)到伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，伺服系統(tǒng)也將獲得采購商的認(rèn)可。同樣，國產(chǎn)伺服技術(shù)也不會(huì)止步不前，不管是基于豐厚的利潤回報(bào)還是振興國家的歷史使命感，相信會(huì)有越來越多的廠商將投入到伺服系統(tǒng)的研發(fā)領(lǐng)域中。
伺服控制系統(tǒng)的組成
機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分，小編帶您具體了解一下。
1.比較環(huán)節(jié)
比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
2.控制器
控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。
3.執(zhí)行環(huán)節(jié)
執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。
4.被控對象
5.檢測環(huán)節(jié)
檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。
伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)的任意變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，即伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、速度和位置傳感器等組成。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)用來存儲(chǔ)零件加工程序，根據(jù)編碼器反饋回來的信息進(jìn)行各種插補(bǔ)運(yùn)算和軟件實(shí)時(shí)控制，向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)接收到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制命令后，對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，能夠快速平滑調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，并能夠精確地進(jìn)行位置控制。
從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來看，有電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和電氣-液壓伺服系統(tǒng)及電氣-電氣伺服系統(tǒng)等；
從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等；
從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號(hào)作用特點(diǎn)來看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng)；
從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，有單回伺服系統(tǒng)、多回伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)（簡稱直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)（簡稱交流電機(jī)）伺服系統(tǒng)。
1.對伺服系統(tǒng)的基本要求
（1）穩(wěn)定性好：穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達(dá)新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)。
（2）精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間。
（3）快速響應(yīng)性好：快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，一方面要求過渡過程時(shí)間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。
2.伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
（1）精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制。
（2）有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。
（3）高性能的伺服電動(dòng)機(jī)（簡稱伺服電機(jī)）：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過程中。要求電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。
（4）寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實(shí)際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。
在數(shù)控機(jī)床上，伺服調(diào)控系統(tǒng)是其不可缺少的一部分。其任務(wù)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。伺服系統(tǒng)在一些自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛，特別是在自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展的大趨勢情況下，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用顯得越發(fā)重要。當(dāng)前，我國正在推動(dòng)工業(yè)制造業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程，這個(gè)過程中需要大量的工業(yè)機(jī)器人及機(jī)床設(shè)備，在這些設(shè)備中伺服系統(tǒng)在整體控制方面有非常重要的應(yīng)用。
