伺服驅(qū)動(dòng)器(servo drives)又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

　　圖1、伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器是伺服控制系統(tǒng)的重要組成部分，伺服驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于大腦，電機(jī)相當(dāng)于手腳，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。 控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器 是 國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。 伺服驅(qū)動(dòng)器在伺服控制系統(tǒng)中的作用就是調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此也是一個(gè)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。 當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。 該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

　　圖2、伺服控制系統(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(jiǎn)稱直流電機(jī))伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱交流電機(jī))伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等，實(shí)際上數(shù)控系統(tǒng)也分成開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)3種類型。伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化;功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，在主回路中還加入了軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。工作原理圖如下所示：

　　圖3、伺服驅(qū)動(dòng)器的工作原理圖DSP芯片原廠有德州儀器、意法半導(dǎo)體、亞德諾、瑞薩、進(jìn)芯、昊芯、先楫半導(dǎo)體等;IPM原廠有英飛凌、三菱電機(jī)、富士電機(jī)、安森美、賽米控、東芝、新電元、羅姆、三墾、POWEREX、CISSOID、威科、斯達(dá)半導(dǎo)、士蘭、宏微、銀茂微、揚(yáng)杰、臺(tái)基、華潤(rùn)微、賽晶、陸芯、芯能、中微半導(dǎo)、中科君芯、天毅半導(dǎo)體、中恒微、衛(wèi)光等。整流部：通過整流部，將交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，?jīng)電容濾波，產(chǎn)生平穩(wěn)無脈動(dòng)的直流電源。逆變部：由控制部過來的SPWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，將直流電源變?yōu)镾PWM波形，以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)?？刂撇糠郑核欧卧捎萌珨?shù)字化結(jié)構(gòu)，通過高性能的硬件支持，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的軟件化，現(xiàn)在所有的伺服已采用(DSP數(shù)字信號(hào)處理)芯片，DSP能夠執(zhí)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩和電流控制器的功能。給出PWM信號(hào)控制信號(hào)作用于功率驅(qū)動(dòng)單元，并能夠接收處理位置與電流反饋，具有通訊接口。編碼器：安裝在伺服電機(jī)上用來測(cè)量磁極位置和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器，編碼器(encoder)是將信號(hào)(如比特流)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換，使信號(hào)可以進(jìn)行通信、傳輸和存儲(chǔ)的設(shè)備，編碼器主要用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移和速度。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，測(cè)量角位移的編碼器者稱為碼盤，測(cè)量直線位移的編碼器稱為碼尺。

　　圖 4 、編碼器目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管(GTR)、功率場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)和絕緣門極晶體管(IGPT)等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。尤其值得一提的是，新型伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊(Intelligent Power Modules，簡(jiǎn)稱IPM)。這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號(hào)完全兼容，與微處理器的輸出可以直接兼容。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

　　圖 5 、一款伺 服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部

　　接下來我們以兩款伺服驅(qū)動(dòng)器的拆解，分析其主要元器件構(gòu)成。

　　1、Allen-Bradley的Kinetix 5700雙軸伺服驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)是2198-D006-ERS，主要規(guī)格是458-746VDC輸入、2個(gè)6.3A峰值輸出電流。

　　DSP主控芯片：1顆德州儀器的TMS320F28032PNT，一款Piccolo微控制器，高效率的32位CPU，具有60MHz(16.67ns周期時(shí)間)主頻和64KB閃存，包括用于ePWM和高分辨率PWM(HRPWM)的增強(qiáng)型控制外設(shè)。

　　IGBT模塊： 2顆英飛凌的FS25R12W1T4_B11，一款1200V/25A IGBT4 EasyPACK模塊。

　　IGBT柵極驅(qū)動(dòng)光耦：12顆 博通 ( Broadcom )的 ACPL-336J，一款2.5A IGBT柵極驅(qū)動(dòng)光耦 、 集成(VCE)去飽和檢測(cè)，有源米勒鉗位、故障和欠壓鎖定(UV LO)狀態(tài)反饋。

　　隔離芯片： 3顆博通(Broadcom)的ACPL-C87B，一款精密光電隔離電壓傳感器，具有±0.5%的增益容差。

　　電流變送器：4顆萊姆(LEM)的HLSR-10SM，一款10A電流變送器，用于大電流感測(cè)。

　　直流總線大容量電容器：2顆貴彌功的400V/330μF電解電容器。

　　保險(xiǎn)絲：1顆Bussmann的FWP-50A14Fa，一款700V/50A高速保險(xiǎn)絲。

　　變壓器：隔離開關(guān)電源。

　　FPGA芯片： 英特爾/阿爾特拉的Cyclone V SE SoC 5CSEA5。一款帶嵌入式外設(shè)的雙核ARM Cortex-A9硬處理器系統(tǒng)(HPS)、多端口內(nèi)存控制器、串行收發(fā)器和PCI Express(PCIe)端口。

　　存儲(chǔ)器芯片：2顆美光的DDR2 SDRAM。

　　以太網(wǎng)通信芯片：2顆微芯/麥瑞的KSZ8041TL1，一款10 Base-T/100 Base-TX收發(fā)器。

　　2、 倫茨(Lenze)的伺服驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)：E70ACMSE0104SA2ETR，一款2 x 10A、400/480V雙軸伺服。

　　DSP主控芯片：1顆德州儀器的TMS320F28032PNT，一款Piccolo微控制器，高效率的32位CPU，具有60MHz(16.67ns周期時(shí)間)主頻和64KB閃存，包括用于ePWM和高分辨率PWM(HRPWM)的增強(qiáng)型控制外設(shè)。

　　IGBT模塊：2顆威科(Vincotech)的V23990-P708-F40-PM，擊穿電壓為1200V、標(biāo)稱芯片電流額定值為15A，IGBT4 flow90PACK1模塊。

　　IGBT柵極驅(qū)動(dòng)光耦：12顆博通(Broadcom)的ACPL-T350。一款 具有低Icc電流的2.5A IGBT柵極驅(qū)動(dòng)光耦， 最大開關(guān)速度為500ns， 工業(yè)溫度范圍： -40°C至100°C。

　　隔離放大器： 6顆博通(Broadcom)的ACPL-C790。一款精密光學(xué)隔離放大器、增益容差為±3.0%，15kV/μs共模瞬態(tài)抗擾能力，200kHz寬帶寬，-40°C至+105°C工作溫度范圍。

　　光電晶體管：11顆夏普的PC123光電晶體管。在IF=5mA、VCE=5V條件下，電流傳輸比(CTR)：最小50%。增強(qiáng)絕緣型(隔離距離：最小0.4mm)。

　　直流母線大容量電容器：3顆愛普科斯(EPCOS)卡入式400V/330μF電解電容器。

　　繼電器： 宏發(fā)(Hongfa)的HF115F微型大功率繼電器。 絕緣阻抗1000M(@500VDC)。 線圈和觸點(diǎn)間的介電強(qiáng)度5000VAC@1min。 斷開觸點(diǎn)間1000VAC@1min。 觸點(diǎn)組間2500VAC@1min。 浪涌電壓(線圈和觸點(diǎn)之間) 是10kV(1.2/50μs)。 吸合時(shí)間(標(biāo)稱電壓)最大15ms。 釋放時(shí)間(標(biāo)稱電壓)最大8ms。 溫升(標(biāo)稱電壓)最大55K。 抗沖擊能力98m/s2; 破壞性沖擊980m/s2。

　　保險(xiǎn)絲：力特(LittelFuse)的SPF系列光伏保險(xiǎn)絲，UL認(rèn)證最大1000VDC、30A標(biāo)稱、緊湊型10 x 38mm大小。

　　變壓器：隔離開關(guān)電源。

　　DSP主控芯片：德州儀器的TMS320F28032PNT Piccolo微控制器，負(fù)責(zé)信號(hào)處理和通信控制。

　　以太網(wǎng)通信芯片：倍福(Beckhoff)的ET1100-0003。一款EtherCat ASIC芯片，配備8個(gè)FMMU(現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)器管理單元/Fieldbus Memory Management Unit)、 8kbyte的DPRAM、64位分布式時(shí)鐘。

　　這款伺服驅(qū)動(dòng)器電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理框圖如下，適用于加工和包裝機(jī)器或機(jī)器人應(yīng)用中的簡(jiǎn)單定位任務(wù)或高動(dòng)態(tài)、精確、多軸應(yīng)用。

　　圖6、伺服驅(qū)動(dòng)器電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理框圖

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的電氣和硬件設(shè)計(jì)，在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面要求會(huì)比商業(yè)級(jí)高，相應(yīng)的芯片選型和項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作則更難。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺(tái)，過去數(shù)年已積累了豐富的優(yōu)勢(shì)貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長(zhǎng)尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

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