SIEMENS賀州市西門子中國總代理商-西門子變頻器伺服電機總代理

電機的轉速由變頻器的輸出頻率決定，變頻就是將工頻的50Hz、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調節逆變為頻率可調的、波形類似于正余弦的脈動電，如圖1所示。由于頻率可調，所以交流電機的速度就可調了（n＝60f/2p，其中n表示轉速，f表示頻率，p表示極對數）。

圖1 變頻器的結構

如圖1所示，變頻器由3部分組成：整流單元、直流部分以及逆變單元。整流單元負責將三相工頻電壓整流成直流電壓并儲存在直流母線電容中，逆變單元再根據PWM方式將直流電壓逆變為各種不同頻率的PWM信號。常見的調制方式有兩種：空間矢量調制（SVM）與邊緣調制模式（PEM）。但由于邊緣調制模式動態特性較差，因此在伺服控制系統中，都采用空間矢量調制模式，如圖2所示。

圖2 空間矢量調制方式電機電壓與電流波形

如圖2所示，IGBT導通的開關頻率越高，逆變出來的電壓越接近于正弦波形，電機上的噪聲越小，電機發熱量越少，轉矩波動也越小。

表1 伺服控制與矢量控制比較

同時，從伺服控制與矢量控制特性比較（見表1）可以看出，伺服系統的速度環、電流環的采樣周期以及驅動器輸出的Zui高頻率都與開關頻率有關。開關頻率越高，采樣周期越短，輸出頻率越高。既然升高脈沖頻率有這么多好處，是不是開關頻率越高越好呢？答案是否定的。因為開關頻率越高，IGBT導通頻率越高，其發熱越多。為保證IGBT在正常的溫度下運行，規定當提高開關頻率時，必須要相應地降低驅動器的輸出能力。例如，在開關頻率提高到8kHz時，驅動器需要一半電流的降容，因此在設置系統時，需要注意各種因素的影響。

簡單的變頻器只能調節交流電機的速度，這時可以開環也可以閉環，要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統意義上的V/F控制方式。V/F控制方式是根據電機的壓頻比特性，通過開環的方式來控制電機。現在很多的變頻都支持閉環矢量控制或者直接轉矩控制方式。矢量控制是指將交流電機的定子磁場U、V、W三相轉化為可以控制電機轉矩、勵磁兩個電流的分量，來實現電流閉環控制。另外，借助編碼器或觀測器模型來計算當前轉速，實現閉環速度控制。U、V、W每相的輸出要加摩爾效應的電流檢測裝置，閉環控制方式的速度精度要高于V/F控制。

在變頻技術發展的前提下，在驅動器內部的電流環、速度環和位置環（變頻器沒有該環）都具有比一般變頻器更jingque的控制技術和算法，從而可以進行jingque的位置控制。通過上位控制器發送的脈沖序列或者通信數據來控制速度和位置，驅動器內部的算法和更快、更jingque的計算以及性能更優良的電子器件使驅動器比變頻器更優越。但也有的驅動器既可以用于矢量控制，也可以用于伺服控制。例如，西門子的SinamicsS120系列驅動器，是集矢量與伺服于一身的驅動器，當把軸組態成伺服模式時，其電流環與速度環的采樣周期默認為125μs，但是當用S120來組態矢量軸時，其采樣周期變為250μs。除了采樣周期外，電機模型也不同，與矢量控制相比，伺服控制的模型更加簡化、直接。

電機方面，伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機（一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機），也就是說，當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機就能根據電源的變化產生相應的動作變化，其響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機，電機方面的顯著差異也是兩者性能不同的根本原因。就是說，不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在設定變頻器的內部算法時，為了保護電機，做了相應的過載設定。當然，即使不做過載設定，變頻器的輸出能力也是有限的，有些性能優良的變頻器就可以直接驅動伺服電機。

由于變頻器和伺服電機在性能和功能上不同，所以其應用也不大相同。在速度控制和力矩控制要求不是很高的場合一般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號構成閉環用變頻進行位置控制的，其精度和響應都不高。現在有些變頻器也接收脈沖序列信號來控制速度，但不能直接控制位置。

在有嚴格位置控制要求的場合中只能用伺服電機，另外，伺服電機的響應速度遠遠大于變頻器，有些對速度的精度和響應要求高的場合也用伺服控制，能用變頻控制的運動的場合幾乎都能用伺服控制取代，關鍵是兩點：一是伺服電機的價格遠遠高于變頻器；二是功率的原因，變頻器Zui大的能做到幾百千瓦，甚至更高，伺服電機Zui大就幾十千瓦。伺服的基本概念是準確、jingque、快速定位。變頻是伺服控制的一個必需的內部環節，伺服驅動器中同樣存在變頻環節（要進行無級調速）。但伺服電機將電流環、速度環或者位置環都閉合進行控制，這和變頻器有很大的區別。除此之外，伺服電機的構造與普通電機不同，其要滿足快速響應和準確定位的要求。現在市面上流行的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服方式，但這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾千瓦以上的同步伺服電機價格就已經極其昂貴，因此在現場應用允許的情況下，應多采用交流異步伺服電機，這時，很多驅動器就是高端變頻器，帶編碼器反饋閉環控制。