變頻器和伺服系統(tǒng)的工作原理及區(qū)別

一、兩者的定義

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素等功能。變頻器可驅(qū)動變頻電機(jī)、普通交流電機(jī)，主要是充當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的角色。變頻器通常由整流單元、中間電路、逆變器和控制器四部分組成。

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

伺服系統(tǒng)按所用驅(qū)動元件的類型可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動伺服系統(tǒng)。最基本的伺服系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件（電機(jī)、液壓缸）、反饋元件和伺服驅(qū)動器。若想讓伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)順利還需要一個上位機(jī)構(gòu)，PLC、以及專門的運(yùn)動控制卡，工控機(jī)+PCI卡，以便給伺服驅(qū)動器發(fā)送指令。

二、兩者的工作原理

變頻器的調(diào)速原理主要受制于異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n、異步電動機(jī)的頻率f、電動機(jī)轉(zhuǎn)差率s、電動機(jī)極對數(shù)p這四個因素。轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0-50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。

變頻調(diào)速就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

伺服系統(tǒng)的工作原理簡單的說就是在開環(huán)控制的交直流電機(jī)的基礎(chǔ)上將速度和位置信號通過旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等反饋給驅(qū)動器做閉環(huán)負(fù)反饋的PID調(diào)節(jié)控制。再加上驅(qū)動器內(nèi)部的電流閉環(huán)，通過這3個閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的輸出對設(shè)定值追隨的準(zhǔn)確性和時間響應(yīng)特性都提高很多。伺服系統(tǒng)是個動態(tài)的隨動系統(tǒng)，達(dá)到的穩(wěn)態(tài)平衡也是動態(tài)的平衡。

三、兩者的共同特點(diǎn) 交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機(jī)的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機(jī)的控制方式來實(shí)現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、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(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動電，由于頻率可調(diào)，所以交流電機(jī)的速度就可調(diào)了（n=60f/p，n轉(zhuǎn)速，f頻率，p極對數(shù)）。 ? ? 四、兩者的區(qū)別

1. 過載能力不同。伺服驅(qū)動器一般具有3倍過載能力，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩，而變頻器一般允許1.5倍過載。

2. 控制精度。伺服系統(tǒng)的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻，通常伺服電機(jī)的控制精度是由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。有些伺服系統(tǒng)的控制精度甚至達(dá)到1：1000

3. 應(yīng)用場合不同。變頻控制與伺服控制是兩個范疇的控制。前者屬于傳動控制領(lǐng)域，后者屬于運(yùn)動控制領(lǐng)域。一個是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求的是低成本。另一個則是追求高精度、高性能、高響應(yīng)。

4. 加減速性能不同。在空載情況下伺服電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加工到2000r/min，用時不會超20ms。電機(jī)的加速時間跟電機(jī)軸的慣量以及負(fù)載有關(guān)系。通常慣量越大加速時間越長。

五、兩者的市場競爭

由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應(yīng)用也不大相同，主要的競爭集中在：

技術(shù)含量競爭。在相同的領(lǐng)域中，若采購方對機(jī)械的技術(shù)要求較高并較為復(fù)雜，則會選擇伺服系統(tǒng)。反之則會選擇變頻器產(chǎn)品。如一些數(shù)控機(jī)床、電子專用設(shè)備等高科技機(jī)械均會首選伺服產(chǎn)品。

價格競爭。大多數(shù)采購方會顧慮成本，常常把技術(shù)忽略而首選價格較低的變頻器。眾所周知，伺服系統(tǒng)的價格差不多是變頻器產(chǎn)品的幾倍。

編輯：黃飛

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