伺服和频率转换
伺服的基本概念是准确、精确和快速定位。
变频是伺服控制必要的内部环节，伺服驱动器也有变频(无级调速)。伺服关闭电流环、速度环、位置环来控制，这是很不一样的。
此外，伺服电机的结构与普通电机有很大不同，以满足快速响应和精确定位的要求。
目前市场上常用的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服电机，但这种电机受技术限制，很难做到大功率，几十千瓦的伺服同步电机价格极其昂贵。在这种情况下，如果现场允许，通常使用交流异步伺服电机。这时候很多驱动器其实就是高端变频器，带编码器反馈闭环控制。只要满足精确、准确、快速定位，就不存在伺服变频之争。
伺服和变频的共同点
首先，交流伺服技术本身参考并应用了变频技术。在DC电机伺服控制的基础上，通过变频pwm模仿DC电机的控制方式实现，即交流伺服电机必须有变频。变频：先将50hz或60hz的交流电源频率转换成DC，再通过载波频率和PWM调节，经过各种带可控门的晶体管(IGBTIGCT)转换成频率可调的脉冲电。
因为频率可调，所以转速也可调(n=60f/p，n转速，单位rpm，f频率，p极数)。
变频器：简单的变频器只能调节交流电机的速度。此时可以是开环也可以是闭环，取决于变频器和控制方式。这就是传统的V/F控制模式。
目前很多变频器都是通过建立数学模型，将交流电机的定子磁场uvw 3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流分量。现在大多数能控制转矩的品牌变频器都是这样控制电机转矩的。UVW的每一相输出都需要一个带霍尔效应的电流检测器件，经过采样和反馈形成闭环负反馈的电流环PID调节。
伺服系统
伺服驱动器在发展变频技术的前提下，在电流环、速度换相、位置环(变频器无位置环)进行了比一般变频器更精确的控制技术和算法运算，在功能上比传统变频器强大很多。最主要的一点是它可以进行精确的位置控制。
位置和速度由上位控制器发送的脉冲序列控制(当然有些伺服集成了控制单元或者通过总线通讯直接在驱动器中设置位置和速度参数)，驱动器内部的算法、更快更精确的计算和性能更好的电子器件使其优于变频器。
在电机方面，伺服电机的材料、结构、加工工艺一般比变频器驱动的交流电机要高很多(一般交流电机都是各种恒功率或恒转矩的变频电机)。
即当伺服驱动器输出电流、电压、频率快速变化的电源时，伺服电机可以根据这种快速的电源变化产生快速的动作响应。因此响应特性和抗过载能力远高于变频器驱动的交流电机(变频器可以输出快速信号，而普通电机本身无法快速响应)。
交流电机的分类
1)交流同步电动机，转子由永磁材料制成。定子绕组线圈通电后，形成旋转磁场，转子的速度=旋转磁场的速度，这就是同步。
2)交流异步电动机，转子也是由感应线圈和材料组成。通电后，定子产生的旋转磁场切割感应线圈产生感应电流，然后转子产生感应磁场，感应磁场随着定子的旋转磁场而变化，但转子的感应磁场变化总是小于定子的(一旦感应线圈相等，磁力线就无法切割，电流就会
3)对应的两台电机有对应的同步变频器和异步变频器(常用)。对应的伺服包括同步交流伺服电机(普通)和异步交流伺服电机。
伺服和变频器的性能差异
变频器，用在对速度控制和转矩控制要求不是很高的场合，也用于位置控制，通过给上位加上位置反馈信号，形成闭环，但精度和响应都不高。现有的变频器也接受脉冲序列信号来控制速度，但似乎不能控制位置。
当有严格的位置控制要求时，必须通过伺服来实现。另外伺服响应速度比变频器快很多，对速度精度和响应要求高的也选择伺服控制。综上所述，可以用伺服代替变频控制，但是伺服也存在一些问题。
1)贵，伺服的价格远高于变频。
2)功率问题，最大变频可以几百kw，甚至更高，最大伺服可以几十kw。
伺服系统的选择
首先确定伺服系统的类型(开环、半闭环、闭环)，选择执行机构(电机)，根据系统负载确定伺服电机的型号。
伺服电机与机械负载的匹配主要包括几个方面。
1)惯性匹配
等效负载惯量j的计算
根据能量守恒定律，旋转机械和直线运动机械的转动惯量可以通过等效转换(伺服系统中运动物体的转动惯量转换为驱动轴上的等效转动惯量)用转动惯量来表示。
如果电机既有旋转运动又有直线运动，计算方法如下：
负载惯量与电机惯量的匹配原则
负载惯量JL的大小对电机的灵敏度、系统精度和动态性能有明显的影响，所以电机惯量Jm和负载惯量JL必须匹配。
不同类型的电机有不同的匹配条件。
a)步进电机惯性匹配原理：
在电机空载的情况下，作出了步进电机的起动转矩-频率曲线。在校核其起动能力时，应考虑惯性负载对起动频率的影响，即根据起动惯性频率特性曲线找出带惯性负载的起动频率，并校核起动转矩和起动时间。当在起动力矩-频率曲线中找不到带惯性负载的起动频率时，可用下列公式近似计算。
l为带惯性负载的最大自起动频率，m为空载起动的最大频率。
JL是负载转化为电机轴的惯性矩，Jm是电机本身的惯性矩。
通常推荐JL/Jm4，使步进电机具有良好的启动能力和较快的响应速度。
由公式可知，当JL/Jm=3时，L=0.5m
b)DC伺服电机的惯性匹配原理
DC伺服电机的惯量匹配与电机的类型及其应用有关，通常分为以下两种情况。
首先，对于惯性小的DC伺服电机系统，通常推荐JL/Jm4。
当JL/Jm3时，电机的伺服系统对电机的灵敏度和响应时间影响很大，甚至使伺服放大器无法工作在正常范围内。
小惯量伺服电机的惯量低至JM0.005kgm2，具有矩惯量比大、机械时间常数小、加速能力强的特点，因此具有良好的动态性能和快速的响应。但使用小惯性伺服电机时，容易对电源频率产生响应，有间隙和死区时，容易引起振动和蠕动。这就是惯性匹配的原理。
其次，对于大惯量的DC伺服电机。一般推荐JL/JM为0.25 4，所谓大惯量就是相对小惯量来说Jm0.1‐0.6kg.m2。
大惯性宽调速DC电机的特点是惯性大，转速大，能在低速时提供额定转矩。常与螺杆直接连接，无传动装置，受惯性负载影响小，调速范围宽。大惯量DC伺服电机的热时间常数长达100min，比小惯量电机长得多，而且允许长期过载。它的转矩惯性比比普通电机高，但比普通电机低
伺服电机的容量应根据系统负载的大小来确定，即电机的额定转矩与被驱动机械系统的负载相匹配。如果选择小容量的电机，可能会导致工作中出现不动的现象，或者电机发热严重，缩短电机寿命。相反，如果选择大容量的电机，会浪费电机的容量，增加成本。进行容量匹配时，不同的电机也有不同的匹配方法。
等效扭矩的计算
在机械运动与控制中，根据力矩的性质，可分为驱动力矩Tm、负载力矩TL、摩擦力矩Tf和动态力矩Ta(惯性力矩)。
Tm=TL Tf Ta
在伺服系统中，转矩匹配是针对特定轴(一般指电机)的，针对特定轴的转矩称为等效转矩。
如果扭矩作用在特定的轴上，就不需要换算，否则必须换算成等效扭矩。
a)等效负载扭矩TL的计算
负载力矩按其特性可分为工作负载和制动力矩。这里只讨论负载转矩转换成等效负载转矩的算法。
轴2上有一个负载，这个负载转换成电机轴(控制轴)上的等效负载扭矩。
如果伺服系统有多个轴，
b)等效摩擦力矩，在控制精度不高，或者调节部分比较丰富的情况下，可以按照类似的机理估算机械效率，由机械效率计算出等效摩擦力矩。
c)等效惯性扭矩
伺服电机容量匹配原理
a)步进电机
TL/Tmax4
TL是步进电机工作过程中电机轴上的最大等效负载转矩。
Tmax是步进电机的最大静态转矩。
b)交流伺服电机和DC伺服电机的容量匹配原则
3)速度匹配
同样功率的电机额定转速越高，电机体积越小。电机转速越高，传动比越大，有利于降低伺服电机的等效转动惯量，提高电机的负载能力。因此，在实际应用中，电机经常工作在高转速、低转矩的状态。
但是在实际应用中，伺服系统的机械装置一般需要在低速大扭矩的状态下工作，所以在电机和负载装置之间需要一个减速器匹配器。从某种程度上说，伺服电机与机械负载的速度匹配就是减速器设计的问题。
减速器的减速比不能太大或太小。减速比过小，不利于降低伺服电机的等效转动惯量，有效提高电机的负载能力；如果减速比过大，减速器的侧隙、弹性变形和传动误差必然会影响系统的性能，精密减速器的成本也较高。因此，可以根据系统的具体情况，在载荷分析的基础上合理选择减速比，并进一步研究减速器的设计。
惯性系数
电机的规格选择，低惯量还是高惯量？负载和电机之间的惯性匹配
低惯性=高加速度
牛顿定律加快了我们的速度。对于旋转系统，
M=j * m是扭矩，单位为Nm，j是转动惯量，单位为kg。M2和以拉德/S2为单位的角加速度。
=m/j加速度=扭矩/惯性，所以惯性越小，加速度越大。
低惯性电机的特点：允许高动态系统。
增加系统带宽也会增加负载和电机之间的不匹配。
审核编辑：李倩
标签：电机惯性伺服