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伺服驱动和变频器的差异

栏目: 技术中心

发表时间: 2018年12月29日

变频器其实是指电力传动的工作方式和结构原理,而伺服强调的是控制性能和应用结果,二者并不是同一个范畴内的概念。

如果真的要把他们放在一起比较的话,或许用“同样采用变频驱动技术,交流伺服与一般的变频(电机)驱动系统相比有哪些特别之处”这样的提法会显得更合适些。

而要了解这一点,我们首先还是要来看一下这二者分别面对着怎样的应用对象和场景。

一般的变频驱动系统,解决的是为设备机电系统提供机械传动所需动力的问题,用以驱动负载产生速度、压力,有时也会用于实现简单的位置控制;而伺服系统的目的则是为了给系统提供高动态、高精度的位置、速度或转矩/力的控制。正是这种在应用对象上的巨大差别,让这两种“变频驱动”系统在很多方面都表现出极大的差异。具体来说,可以从以下几个方面进行比较:

控制接口

普通变频驱动系统对于速度、压力、位置等应用对象在指令更新的时间精度上往往并没有太高的要求,这当然与其相对较低的应用精度有很大的关系。新的控制指令数据早晚几个毫秒送达,对驱动性能的影响几乎可以不用考虑,输入指令的刷新周期出现个几毫秒甚至几十毫秒的偏差,基本上也是可以接受的。因此,我们可以看到以往的变频器通常会采用模拟量或者现场总线作为其控制指令的输入端口;而尽管现在以太网技术在变频器产品中已经越来越普及,但却也很少有使用实时以太网的。

而伺服系统就不同了,较高的控制精度要求其必须将每次指令更新的时间刻度精确到微妙级,并能够以极为确定的时间周期进行实时的数据交互。否则,失之毫厘便会谬以千里,无法达到所需的运动控制性能。这就是为什么长期以来,伺服驱动器都需要使用高频脉冲串和专用运控总线作为控制输入的一个重要原因;而如果要将以太网作为伺服驱动的控制端口,则必须采用具备时间确定性的实时以太网技术。

动态特性

在自动化应用中,只要是闭环控制系统,就需要能够在一定的时间窗口内对应用负载端的动作偏差作出反应并及时调节,变频驱动如此,交流伺服也是一样。但由于伺服系统常常需要应对较高的控制精度,须能以更快的速度对更加细微的误差作出响应,因此其响应调节的时间周期也就必须更短,通常都得是毫秒甚至微秒级的。与此相对应,很多伺服产品的速度频响带宽(BandWidth)都能够达到 kHz 级别。

应用反馈

要能够及时响应应用端的动作误差,自然离不开来自负载侧的速度和位置反馈。正如前文中所述,系统中是否有用于实现控制的面向应用对象的反馈机制,是伺服区别于一般的电机传动技术的一个重要标志。同时,还是因为在控制精度和响应速度上的高要求,伺服应用的反馈往往需要具备极高的测量精度和分辨率,以做到对包括速度、压力、位置等在内的应用对象的任何细微动态变化都足够敏感,在这种情况下,几千线的电机反馈,其实已经很难满足伺服应用的性能要求了。

当然,现在通用的变频驱动系统采用闭环反馈的控制方式也已经很普遍了,但总的来说,它们对应用端反馈在测量精度和分辨率等方面的各项要求远不如伺服运控系统那么高,并且多以速度反馈为主,很多时候,简单的 PG 反馈也就足够了。

运行模式与控制方式

运行模式指的是系统所要控制的应用对象类型是位置、速度还是转矩。从这个角度看伺服系统大都还是以位置模式为主的,有时会根据应用需求切换到速度或转矩模式;而对于一般的变频系统来说,主要就是速度和转矩模式了,少数变频产品会有一些简单的位置模式可供选择。

控制方式说的是在实现对某个应用对象的控制时,采取怎样的方法。这个,在伺服系统里,基本就只有矢量控制了,显然,这是由伺服应用本身所要达到的控制精度决定的。而在通用的变频系统中,为了能够满足不同类型和级别的应用需求,可供选择的控制方式就有很多,比如:电压/频率(v/f)、直接转矩、矢量控制等等。

这一点也再次印证了我们之前所说的,伺服和变频其实是两个不同范畴的概念,伺服强调的是控制性能和应用结果,所以在系统配置时更关注运行模式;而变频其实指的是电力传动的工作方式和结构原理,因此在使用时会更看重控制方式。

适配电机和动力执行机构

为了能够达到较高的控制精度和应用性能,伺服运控系统对配套电机和执行机构的选择通常会有着极为严格的要求。

这不仅仅体现在永磁同步电机的使用上,还包括对适配电机各项规格的制定和设计以及不同类型的电机执行机构的选择方面,例如:

1、须根据负载和运行曲线,基于堵转转矩(力)、峰值转矩(力)和额定速度选择电机,并匹配机械传动速比;

2、更低的转子惯量用于提升动态性能、中/高惯量用于提升控制的稳定性;

3、专用电气连接端口,以提升系统的 EMC 电磁兼容(抗干扰)性能;

4、不同类型机械动力输出的连接方式(如:标准输出轴、空心轴、法兰输出……),以适应不同类型的应用负载;

5、多种电机和动力执行机构选项(如:直线电机、直驱电机、集成减速机电机、直线电动缸……),以满足各类运控应用的性能需求;

大部分伺服厂商往往会推荐用户使用其标配的驱动和电机/执行机构(甚至电缆和连接器)产品组合,很大程度上也是出于确保系统性能的角度所考虑的。(当然,竞争的排他性也正在于此。)

而这些苛刻的要求在一般的变频系统中就不多见了。大部分的通用变频应用都会采用异步电机(有些应用会使用永磁同步电机,多数是出于节能的角度考虑),选型时需要考虑的主要就是功率、额定转速和工作制等等;除此以外就是基于应用环境,选择电机的防护等级、冷却方式、安装方式等等。而对于电机惯量、电气连接、输出方式等方面,就没有太过严苛的要求,同时厂家基本上也不会用所谓的“配套组合”来限制用户对于电机品牌的选择。

功率范围

此外,由于伺服所面对的往往是那些要求高精度、高动态响应的应用环境,因此总体负载也会相对较轻,其总体输出功率的范围一般也就在几十千瓦以内,比起以动力传动见长的变频驱动系统来说会小很多;而那些负载较重的运控应用,通常都并不会有过高的响应特性需求,一般来说异步变频也是可以满足要求的。

上述伺服和变频的技术比较,更多其实还是侧重在应用的角度来看待它们二者之间的差别,而并没有涉及到太多关于产品本身的部分,比如:三环的差异、内部结构和组成元器件的不同、过载能力的差异…….有关这些内容,我会在后面的推文中和大伙儿慢慢探讨。


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