工業(yè)控制知識| 伺服和變頻器的區(qū)別

盡管目前伺服系統(tǒng)的應(yīng)用還未普及，尤其是國產(chǎn)伺服系統(tǒng)，被應(yīng)用的場合相比國外伺服產(chǎn)品少之甚少。但隨著工業(yè)化進程的加快，人們將逐漸意識到伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，伺服系統(tǒng)也將獲得采購商的認可。

伺服驅(qū)動器是用來驅(qū)動伺服電機的，伺服電機可以是步進電機，也可以是交流異步電機，主要為了實現(xiàn)快速、精確定位，像那種走走停停、精度要求很高的場合用的很多。

變頻器就是為了將工頻交流電變頻成適合調(diào)節(jié)電機速度的電流，用以驅(qū)動電機，現(xiàn)在有的變頻器也可以實現(xiàn)伺服控制了，也就是可以驅(qū)動伺服電機，但伺服驅(qū)動器和變頻器還是不一樣的!可伺服和變頻器的區(qū)別究竟是什么。

兩者定義

變頻器是利用電力半導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，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素等功能。

變頻器可驅(qū)動變頻電機、普通交流電機，主要是充當調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的角色。

變頻器通常由整流單元、高容量電容、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(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械位移(或轉(zhuǎn)角)準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、液壓缸)、反饋元件和伺服驅(qū)動器。若想讓伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)順利還需要一個上位機構(gòu)，PLC、以及專門的運動控制卡，工控機+PCI卡，以便給伺服驅(qū)動器發(fā)送指令。

兩者工作原理

變頻器的調(diào)速原理主要受制于異步電動機的轉(zhuǎn)速n、異步電動機的頻率f、電動機轉(zhuǎn)差率s、電動機極對數(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即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在0-50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(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電源頻率實現(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。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)，使電機的輸出對設(shè)定值追隨的準確性和時間響應(yīng)特性都提高很多。伺服系統(tǒng)是個動態(tài)的隨動系統(tǒng)，達到的穩(wěn)態(tài)平衡也是動態(tài)的平衡。

兩者不同點：

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)，在直流電機的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機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)，所以交流電機的速度就可調(diào)了(n=60f/p，n轉(zhuǎn)速，f頻率，p極對數(shù))。

兩者區(qū)別在于：

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)的控制精度遠遠高于變頻，通常伺服電機的控制精度是由電機軸后端的旋轉(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從靜止狀態(tài)加工到2000r/min，用時不會超20ms。電機的加速時間跟電機軸的慣量以及負載有關(guān)系。通常慣量越大加速時間越長。

國內(nèi)伺服和變頻器市場情況

盡管我國的伺服技術(shù)起步較晚，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統(tǒng)才走過50個年頭而已。但不可否認的是，中國制造業(yè)開始逐漸意識到伺服系統(tǒng)在提高產(chǎn)品競爭力方面發(fā)揮的作用越來越大。伺服系統(tǒng)強勁的市場需求開始漸露頭角。相信不久之后，伺服系統(tǒng)新一輪的增長史必將續(xù)寫另一個“中國變頻器”的發(fā)展史。主要分析原因如下：

首先，隨著中國經(jīng)濟整體形式的向好發(fā)展，很多伺服重點應(yīng)用行業(yè)如機床、電子專用設(shè)備、醫(yī)療器械、混合動力汽車、新能源等行業(yè)因經(jīng)濟政治原因，恢復(fù)程度大大超過人們的預(yù)期水平。此等行業(yè)的發(fā)展直接導致伺服市場的需求旺盛，使得眾多國產(chǎn)伺服品牌紛紛崛起。而隨著工業(yè)化進程的加快，產(chǎn)業(yè)升級與進口替代也推動了伺服產(chǎn)品的大量使用，節(jié)能、增產(chǎn)效果日趨明顯。值得一提的是，伺服應(yīng)用技術(shù)在風力發(fā)電行業(yè)的初步成熟，暗示了節(jié)能減碳帶給伺服的商機絕不亞于節(jié)能減排給高壓變頻器帶來的機遇。

其次，在高端領(lǐng)域，用戶在使用過程中最為看重的極大因素如穩(wěn)定性、響應(yīng)性、精度，都是伺服系統(tǒng)所具備的優(yōu)勢所在。在技術(shù)要求越來越高的今天，誰擁有最高的性能，誰就能獲得用戶青睞，價格已不再是阻礙伺服發(fā)展的決定因素。高端市場無疑被伺服占據(jù)著高地。而變頻器只是在一些較為低端的簡單領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)推出伺服產(chǎn)品的廠商差不多有二十余家。一直以來，伺服領(lǐng)域的準入門檻比低壓變頻器領(lǐng)域高，許多廠商還是基于變頻器技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，像國產(chǎn)廠商匯川等企業(yè)，就已經(jīng)開始初嘗伺服產(chǎn)業(yè)為企業(yè)帶來的實際效益。匯川原有的研發(fā)實力為其在伺服領(lǐng)域立足提供有效支撐，而品牌影響力提升、產(chǎn)能釋放和細分行業(yè)延伸，使得其在伺服市場的地位將逐年提升，2010年其伺服銷售額就達1億多人民幣。究其轉(zhuǎn)向伺服產(chǎn)品的最終原因，國家伺服發(fā)展政策向好可一語道破玄機。在七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，機械工業(yè)占了兩個即高端裝備制造業(yè)和新能源汽車，且其他五個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)也都需要機械工業(yè)的支撐。由此看來，制造業(yè)的發(fā)展也將給伺服發(fā)展帶來新契機。

伺服和變頻器的市場競爭

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)控機床、電子專用設(shè)備等高科技機械均會首選伺服產(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。

盡管目前伺服系統(tǒng)的應(yīng)用還未普及，尤其是國產(chǎn)伺服系統(tǒng)，被應(yīng)用的場合相比國外伺服產(chǎn)品少之甚少。但隨著工業(yè)化進程的加快，人們將逐漸意識到伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，伺服系統(tǒng)也將獲得采購商的認可。同樣，國產(chǎn)伺服技術(shù)也不會止步不前，不管是基于豐厚的利潤回報還是振興國家的歷史使命感，相信會有越來越多的廠商將投入到伺服系統(tǒng)的研發(fā)領(lǐng)域中。屆時將迎來中國“伺服產(chǎn)業(yè)”的鼎盛時期。