伺服電機與變頻電機那些事

不管是美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，德國的“工業(yè)4.0”，還是中國的“中國制造2025”，在電機的選擇上大多是伺服電機與變頻電機。但是要詳細的區(qū)分伺服電機與變頻電機，似乎并不是一件容易的事!  個概念是交流電機里的變頻與伺服。


首先說一下變頻，因為伺服電機是在變頻電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，變頻電機就是將用戶所輸入的頻率，電壓，電流（這個要么在面板上控制，電壓電流的話在節(jié)點上控制，說明書上很詳細），然后利用參數(shù)通過電力電子器件把工頻電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓，直接反映在電機轉(zhuǎn)速上。



然后是伺服電機，它與變頻電機 主要的區(qū)別是自身帶有編碼器，然后將其傳輸?shù)剿欧姍C驅(qū)動器里面，再利用控制理論，比如增益，調(diào)節(jié)時間，簡單的說伺服電機所構(gòu)成的是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，還有啟動快，停止快，帶負載能力也較變頻電機好，有了這些特性，也就造就了速度，轉(zhuǎn)矩，位置三中控制方式，對于要求較高的場合，應(yīng)用較多。

變頻器就像是節(jié)奏大師手里的那把琴，琴聲可千變?nèi)f化!類似的，變頻是將工頻的50Hz,60Hz的交流電先整流成直流電，然后通過可控開關(guān)器件(IGBT,IGCT等)，載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形。簡單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機的速度。但現(xiàn)在很多變頻電機已經(jīng)將交流電機的定子磁場UVW3相轉(zhuǎn)化為可以控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩個電流的分量。這樣既可以控制電機的速度也可以控制電機的力矩。


伺服控制可比作是捕食時的蒼鷹。蒼鷹捕食動作之快，目標定位之準!同樣的伺服控制就是 定位和快速響應(yīng)。伺服是將電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)都閉合才能進行的控制。交流伺服的本質(zhì)就是在直流電機的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié)。



從功能看，伺服的功能主要是：

1、速度控制
2、轉(zhuǎn)矩控制
3、位置控制（含定位和跟蹤）。
從控制看，伺服一般是三環(huán)系統(tǒng)：外環(huán)位置環(huán)，內(nèi)環(huán)依次為速度還和電流環(huán)

知道伺服電機的內(nèi)部構(gòu)造就可揭開伺服電機的面紗。

伺服電機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子上有兩個繞組，勵磁繞組和控制繞組。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵或者是感應(yīng)線圈，導(dǎo)磁材料，轉(zhuǎn)子在由勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下轉(zhuǎn)動。同時伺服電機自帶編碼器，驅(qū)動器實時的接受到編碼器的反饋信號，再根據(jù)反饋值與目標值進行比較來調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。由此不難看出，伺服電機的控制精確度很大程度決定于編碼器的精度。




既然有了伺服電機那為何還要變頻電機的存在?


目前比較通用的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服電機，但這種電機受工藝的限制，功率很難做大，十幾千瓦以上的同步伺服價格昂貴。于是人們更愿意去選擇控制性能略孫一籌的交流異步伺服電機。這時的驅(qū)動器就是由 變頻器和帶編碼器反饋環(huán)進行控制的。

變頻電機在速度控制和力矩控制要求不高的場合應(yīng)用較多，也有在加有位置反饋信號后構(gòu)成位置閉環(huán)控制的變頻電機，但其精度和響應(yīng)都不高;伺服電機一般應(yīng)用在有嚴格控制要求，精度和響應(yīng)要求高的場合。



總的來說，能用變頻控制的運動場合幾乎都能用伺服控制取代。但伺服電機與變頻電機在實際應(yīng)用中，有兩大明顯區(qū)別。一是伺服電機的價格要遠高于變頻電機;二是變頻器的功率 能做到幾百Kw，甚至更高，但伺服一般也就到幾十Kw。

其實現(xiàn)實應(yīng)用中大多數(shù)設(shè)備對電機的控制性能要求不高，對比伺服：其調(diào)速范圍一般是：1:100（無編碼器）/1:1000(帶編碼器）， 轉(zhuǎn)矩：1.5倍額定即可。電機和驅(qū)動器的技術(shù)難度、方案及配置、價格都大幅度降低。而且功率范圍寬，從幾百瓦到上千KW不等。由于應(yīng)用在各行各業(yè)，所以變頻器的功能特別豐富，為了滿足特定行業(yè)的需求，許多廠家都在開發(fā)行業(yè) 型變頻器，比較典型的有：電梯 變頻器、供水 變頻器等。價格低，覆蓋范圍寬是變頻器的主要特點。電機可以是異步電機，也可以是同步電機。一般變頻器只包括速度控制和電流控制兩個環(huán)節(jié)。


可見，伺服驅(qū)動系統(tǒng)和變頻控制系統(tǒng)是一對好搭檔，可以以 性價比組成一個系統(tǒng)或設(shè)備。