随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。

　　永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

　　永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。

　　现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。

　　交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。

　　目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

　　伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板(驱动板)是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。

　　控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。

　　功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。

　　功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

　　逆变部分(DC-AC)采用采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)，主要拓扑结构是采用了三相桥式电路原理图见图3，利用了脉宽调制技术即PWM(Pulse Width Modulation)通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时间比，也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率的目的。

　　图3中对各桥臂的开关状态做以下规定：当上桥臂开关管“开”状态时(此时下桥臂开关管必然是“关”状态)，开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时(此时下桥臂开关管必然是“关”状态)，开关状态为0。

　　三个桥臂只有“0”和“1”两种状态，因此形成000、001、010、011、100、101、111共八种开关管模式，其中000和111开关模式使逆变输出电压为零，所以称这种开关模式为零状态。

　　控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。所采用的数字信号处理器(DSP)除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

　　伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理( FOC) 和坐标变换，实现矢量控制(VC) ，同时结合正弦波脉宽调制(SPWM)控制模式对电机进行控制 。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。

　　对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。

　　伺服驱动器控制交流永磁伺服电机( PMSM)伺服驱动器在控制交流永磁伺服电机时，可分别工作在电流(转矩) 、速度、位置控制方式下。

　　系统的控制结构框图如图4所示由于交流永磁伺服电机(PMSM) 采用的是永久磁铁励磁，其磁场可以视为是恒定，同时交流永磁伺服电机的电机转速就是同步转速，即其转差为零。

　　这些条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数学模型的复杂程度得以大大的降低。从图4可以看出，系统是基于测量电机的两相电流反馈和电机位置。

　　将测得的相电流结合位置信息，经坐标变化(从a ，b ，c 坐标系转换到转子d ，q 坐标系) ，得到分量分别进入各自得电流调节器。电流调节器的输出经过反向坐标变化(从d ，q 坐标系转换到a ，b ，c 坐标系) ，得到三相电压指令。控制芯片通过这三相电压指令，经过反向、延时后，得到6 路PWM 波输出到功率器件，控制电机运行。

　　系统在不同指令输入方式下，指令和反馈通过相应的控制调节器，得到下一级的参考指令。在电流环中d ，q 轴的转矩电流分量是速度控制调节器的输出或外部给定。而一般情况下，磁通分量为零( = 0) ，但是当速度大于限定值时，可以通过弱磁( 《 0) ，得到更高的速度值。

　　从a，b，c坐标系转换到d，q坐标系有克拉克(CLARKE)和帕克(PARK)变换来是实现；从d，q坐标系转换到a，b，c坐标系是有克拉克和帕克的逆变换来是实现的。以下是两个变换公式，克拉克变换(CLARKE)：

　　本文简单的介绍了伺服驱动器的几个主要的功能模块的实现及原理，谨帮助大家对伺服驱动器有进一步了解之用，大家如果想更深入的了解伺服驱动器的设计原理，请参考其它的文献。

　　本文主要是关于步进电机驱动器与伺服电机驱动器的相关介绍，并着重对步进电机驱动器与伺服电机驱动器进行了详尽的对比区分。

　　步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。

　　步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。

　　（1）反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10’）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。

　　（2）永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。

　　（3）混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；发展较快的一种步进电动机。 ［1］

　　步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

　　步进电机驱动器的原理，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

　　四相步进电机步进示意图 开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

　　四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

　　单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示。驱动器相当于开关的组合单元。通过上位机的脉冲信号有顺序给电机相序通电使电机转动。

　　伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

　　可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

　　随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。

　　伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。

　　为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。

　　一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。

　　要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。

　　1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

　　2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

　　3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。

　　主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。

　　根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。

　　2 相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。 5 相电机则振动较小，高速性能好，比 2 相电机的速度高 30~50% ，可在部分场合取代伺服电机。

　　直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。

　　上电运行前要作如下检查： 1） 电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的 /- 极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）； 2） 控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线） 不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。 4） 一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。 5） 开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。

　　一般要考虑以下方面作检查： 1） 电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大 50%~100% 的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。 2） 上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要 》10mA ），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是 CMOS 电路，则也要选用 CMOS 输入型的驱动器。 3） 启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。 4） 电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。 5） 对于 5 相电机来说，相位接错，电机也不能工作。

　　步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，在非超载的情况下，电机的转速停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机安设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到高速的目的。

　　伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）也就是说伺服电机本身具备发出脉冲的功能，它每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制，步进电机是开环控制。

　　步进电机和伺服电机的区别在于：1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同；一个是开环控制，一个是闭环控制。3、低频特性不同；步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统调整。4、矩频特性不同；

　　步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩输出，5、过载能力不同；步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。6、运行性能不同；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。7、速度响应性能不同；步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

　　伺服的结构是怎样的？一个最简易的伺服控制单元，就是一个伺服电机加伺服控制器，今天就来解析下伺服电机与伺服控制器。

　　安培定则，也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向；通电螺线管中的安培定则：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

　　确定载流导线在外磁场中受力方向的定则。又称电动机定则。左手平展，大拇指与其余4指垂直，手心冲着N级，4指为电流方向，大拇指为载流导线在外磁场中受力方向。

　　※ SERVO 语源自拉丁语，原意为“奴隶”的意思，指经由闭环控制方式达到一个机械系统的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自动控制系统中的执行单元，是把上位控制器的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

　　1. 同步型：采用永磁式同步马达，停电时发电效应，因此刹车容易， 但因制程材料上的问题，马达容量受限制。〔回转子：永久磁铁；固定子：线. 感应型：感应形马达与泛用马达构造相似，构造坚固、高速时转矩表现良好，但马达较易发热，容量(7.5KW以上)大多为此形式。回转子、固定子皆为线. 直流型：直流伺服马达，有碳刷运转磨耗所产生粉尘的问题，于无尘要求的场所就不宜使用，以小容量为主。〔回转子：线圈；固定子：永久磁铁；整流子：磁刷〕

　　特长优点：1. 免维护。2. 耐环境性佳。3. 转矩特性佳，定转矩。4. 停电时可发电剎车。5. 尺寸小、重量轻。6. 高效率。

　　缺点：1. AMP较DC形构造复杂。2. MOTOR及AMP必需1：1搭配使用。3. 永久磁石有消磁的可能。

　　特长优点：1. 维护容易。2. 耐环境性佳。3. 高速时，转矩特性佳。4. 可制做大容量，效率佳。5. 构造坚固。

　　缺点：1. 小容量机种，效率差。2. AMP较DC形构造复杂。3. 停电时，无法动态剎车。4. 随温度变动影响特性。5. AMP与MOTOR必需1：1使用。

　　特长优点：1. 伺服驱动器构造简单。2. 停电时可发电剎车。3. 体积小、价格低。4. 效率佳。

　　缺点：1. 整流子外围需定期保养。2. 碳刷磨耗产生(碳粉)，无法应用于要求凊絜的场所。3. 因整流器碳刷的问题，高速时转矩差。4. 永久磁石有消磁的可能。

　　伺服系统的最大特色：透过回馈信号的控制方式〔可做指令值与目标值的比较，因而大幅减少误差状况〕。

　　何谓回馈信号：向控制对象下达指令后，正确的追踪并查明现在值，且随时回馈控制内容的偏差值、待目标物到达目的地后，回馈位置值，如此反复动作。

　　控制流程：检测机械本体之位置检出，回路为封闭系统，称之为全闭回路 。相反，检测马达轴端之回路系统就称为半闭回路。

　　逆变部：由控制部过来的SPWM信号，驱动IGBT，将直流电源变为SPWM波形，以驱动伺服电机。

　　控制部分：伺服单元采用全数字化结构，通过高性能的硬件支持，实现闭环控制的软件化，现在所有的伺服已采用（DSP数字信号处理）芯片，DSP，能够执行位置、速度、转矩和电流控制器的功能。给出PWM信号控制信号作用于功率驱动单元，并能够接收处理位置与电流反馈，具有通讯接口。

　　目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管 （MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGPT）等。这些先进器件的应用显着地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。

　　尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Modules，简称IPM）。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显着地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。