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伺服和变频器区别和竞争

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供稿:中国工控网 2016/6/7 15:53:59

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  • 关键词:
  • 摘要:可伺服和变频器的区别究竟是什么,请本篇技术论文您分解。

  伺服驱动器是用来驱动伺服电机的,伺服电机可以是步进电机,也可以是交流异步电机,主要为了实现快速、精确定位,像那种走走停停、精度要求很高的场合用的很多。

  变频器就是为了将工频交流电变频成适合调节电机速度的电流,用以驱动电机,现在有的变频器也可以实现伺服控制了,也就是可以驱动伺服电机,但伺服驱动器和变频器还是不一样的!

  两者定义

  变频器(Variable-frequency Drive,VFD)是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。

  伺服系统(servomechanism)又称随动系统,是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角),其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统最初用于国防军工, 如火炮的控制, 船舰、飞机的自动驾驶,导弹发射等,后来逐渐推广到国民经济的许多部门,如自动机床、无线跟踪控制等。

  两者工作原理

  变频器的调速原理主要受制于异步电动机的转速n、异步电动机的频率f、电动机转差率s、电动机极对数p这四个因素。转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0-50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。主要采用交—直—交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

  伺服系统的工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环,通过这3个闭环调节,使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统,达到的稳态平衡也是动态的平衡。

  两者共同点:

  交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术,在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的,也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节:变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电,然后通过可控制门极的各类晶体管(IGBT,IGCT等)通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电,由于频率可调,所以交流电机的速度就可调了(n=60f/p,n转速,f频率,p极对数)。

  两者区别在于:

  1. 过载能力不同。伺服驱动器一般具有3倍过载能力,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩,而变频器一般允许1.5倍过载。

  2. 控制精度。伺服系统的控制精度远远高于变频,通常伺服电机的控制精度是由电机轴后端的旋转编码器保证。有些伺服系统的控制精度甚至达到1:1000。

  3. 应用场合不同。变频控制与伺服控制是两个范畴的控制。前者属于传动控制领域,后者属于运动控制领域。一个是满足一般工业应用要求,对性能指标要求不高的应用场合,追求的是低成本。另一个则是追求高精度、高性能、高响应。

  4. 加减速性能不同。在空载情况下伺服电机从静止状态加工到2000r/min,用时不会超20ms。电机的加速时间跟电机轴的惯量以及负载有关系。通常惯量越大加速时间越长。

  伺服和变频器的市场竞争

  由于变频器和伺服在性能和功能上的不同,所以应用也不大相同,主要的竞争集中在:

  技术含量竞争。在相同的领域中,若采购方对机械的技术要求较高并较为复杂,则会选择伺服系统。反之则会选择变频器产品。如一些数控机床、电子专用设备等高科技机械均会首选伺服产品。

  价格竞争。大多数采购方会顾虑成本,常常把技术忽略而首选价格较低的变频器。众所周知,伺服系统的价格差不多是变频器产品的几倍。

  尽管目前伺服系统的应用还未普及,尤其是国产伺服系统,被应用的场合相比国外伺服产品少之甚少。但随着工业化进程的加快,人们将逐渐意识到伺服系统的优势所在,伺服系统也将获得采购商的认可。同样,国产伺服技术也不会止步不前,不管是基于丰厚的利润回报还是振兴国家的历史使命感,相信会有越来越多的厂商将投入到伺服系统的研发领域中。届时将迎来中国“伺服产业”的鼎盛时期。

审核编辑(王雪)
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