打入行開始就總是會(huì)聽到有人談?wù)摗八欧妥冾l之間的區(qū)別”，不過我一直覺得，將他們放在一起比較其實(shí)是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模缙比χ袧h斯總的一段評(píng)論所說：

 

變頻其實(shí)是指電力傳動(dòng)的工作方式和結(jié)構(gòu)原理，而伺服強(qiáng)調(diào)的是控制性能和應(yīng)用結(jié)果，二者并不是同一個(gè)范疇內(nèi)的概念。

 

PicSource：EATON

 

如果真的要把他們放在一起比較的話，或許用“同樣采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，交流伺服與一般的變頻（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比有哪些特別之處”這樣的提法會(huì)顯得更合適些。

 

而要了解這一點(diǎn)，我們首先還是要來看一下這二者分別面對(duì)著怎樣的應(yīng)用對(duì)象和場景。

 

PicSouce：Gerhard Schubert

 

一般的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，解決的是為設(shè)備機(jī)電系統(tǒng)提供機(jī)械傳動(dòng)所需動(dòng)力的問題，用以驅(qū)動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生速度、壓力，有時(shí)也會(huì)用于實(shí)現(xiàn)簡單的位置控制；而伺服系統(tǒng)的目的則是為了給系統(tǒng)提供高動(dòng)態(tài)、高精度的位置、速度或轉(zhuǎn)矩/力的控制。正是這種在應(yīng)用對(duì)象上的巨大差別，讓這兩種“變頻驅(qū)動(dòng)”系統(tǒng)在很多方面都表現(xiàn)出極大的差異。具體來說，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行比較：

 

PicSouce：Danfoss | VLT Midi Drive

 

控制接口

 

普通變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于速度、壓力、位置...等應(yīng)用對(duì)象在指令更新的時(shí)間精度上往往并沒有太高的要求，這當(dāng)然與其相對(duì)較低的應(yīng)用精度有很大的關(guān)系。新的控制指令數(shù)據(jù)早晚幾個(gè)毫秒送達(dá)，對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響幾乎可以不用考慮，輸入指令的刷新周期出現(xiàn)個(gè)幾毫秒甚至幾十毫秒的偏差，基本上也是可以接受的。因此，我們可以看到以往的變頻器通常會(huì)采用模擬量或者現(xiàn)場總線作為其控制指令的輸入端口；而盡管現(xiàn)在以太網(wǎng)技術(shù)在變頻器產(chǎn)品中已經(jīng)越來越普及，但卻也很少有使用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的。

 

PicSource：SIMATIC

 

而伺服系統(tǒng)就不同了，較高的控制精度要求其必須將每次指令更新的時(shí)間刻度精確到微妙級(jí)，并能夠以極為確定的時(shí)間周期進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互。否則，失之毫厘便會(huì)謬以千里，無法達(dá)到所需的運(yùn)動(dòng)控制性能。這就是為什么長期以來，伺服驅(qū)動(dòng)器都需要使用高頻脈沖串和專用運(yùn)控總線作為控制輸入的一個(gè)重要原因；而如果要將以太網(wǎng)作為伺服驅(qū)動(dòng)的控制端口，則必須采用具備時(shí)間確定性的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)。

 

PicSource：motioncontroltips

 

動(dòng)態(tài)特性

 

在自動(dòng)化應(yīng)用中，只要是閉環(huán)控制系統(tǒng)，就需要能夠在一定的時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)應(yīng)用負(fù)載端的動(dòng)作偏差作出反應(yīng)并及時(shí)調(diào)節(jié)，變頻驅(qū)動(dòng)如此，交流伺服也是一樣。但由于伺服系統(tǒng)常常需要應(yīng)對(duì)較高的控制精度，須能以更快的速度對(duì)更加細(xì)微的誤差作出響應(yīng)，因此其響應(yīng)調(diào)節(jié)的時(shí)間周期也就必須更短，通常都得是毫秒甚至微秒級(jí)的。與此相對(duì)應(yīng)，很多伺服產(chǎn)品的速度頻響帶寬（BandWidth）都能夠達(dá)到 kHz 級(jí)別。而反觀一般的變頻驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，這個(gè)頻響帶寬往往也就在幾百 Hz。

 

PicSource：Heidenhain | Endat 2.2

 

應(yīng)用反饋

 

要能夠及時(shí)響應(yīng)應(yīng)用端的動(dòng)作誤差，自然離不開來自負(fù)載側(cè)的速度和位置反饋。正如前文中所述，系統(tǒng)中是否有用于實(shí)現(xiàn)控制的面向應(yīng)用對(duì)象的反饋機(jī)制，是伺服區(qū)別于一般的電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，還是因?yàn)樵诳刂凭群晚憫?yīng)速度上的高要求，伺服應(yīng)用的反饋往往需要具備極高的測量精度和分辨率，以做到對(duì)包括速度、壓力、位置...等在內(nèi)的應(yīng)用對(duì)象的任何細(xì)微動(dòng)態(tài)變化都足夠敏感，在這種情況下，幾千線的電機(jī)反饋，其實(shí)已經(jīng)很難滿足伺服應(yīng)用的性能要求了。

 

PicSource：SICK | DFS60

 

當(dāng)然，現(xiàn)在通用的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋的控制方式也已經(jīng)很普遍了，但總的來說，它們對(duì)應(yīng)用端反饋在測量精度和分辨率等方面的各項(xiàng)要求遠(yuǎn)不如伺服運(yùn)控系統(tǒng)那么高，并且多以速度反饋為主，很多時(shí)候，簡單的 PG 反饋也就足夠了。

 

PicSource：motioncontroltips

 

運(yùn)行模式與控制方式

 

運(yùn)行模式指的是系統(tǒng)所要控制的應(yīng)用對(duì)象類型是位置、速度還是轉(zhuǎn)矩。從這個(gè)角度看伺服系統(tǒng)大都還是以位置模式為主的，有時(shí)會(huì)根據(jù)應(yīng)用需求切換到速度或轉(zhuǎn)矩模式；而對(duì)于一般的變頻系統(tǒng)來說，主要就是速度和轉(zhuǎn)矩模式了，少數(shù)變頻產(chǎn)品會(huì)有一些簡單的位置模式可供選擇。

 

PicSource：machinedesign.com

 

控制方式說的是在實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)應(yīng)用對(duì)象的控制時(shí)，采取怎樣的方法。這個(gè)，在伺服系統(tǒng)里，基本就只有矢量控制了，顯然，這是由伺服應(yīng)用本身所要達(dá)到的控制精度決定的。而在通用的變頻系統(tǒng)中，為了能夠滿足不同類型和級(jí)別的應(yīng)用需求，可供選擇的控制方式就有很多，比如：電壓/頻率（v/f）、直接轉(zhuǎn)矩、矢量控制...等等。

 

PicSource：ANALOG DEVICES

 

這一點(diǎn)也再次印證了我們之前所說的，伺服和變頻其實(shí)是兩個(gè)不同范疇的概念，伺服強(qiáng)調(diào)的是控制性能和應(yīng)用結(jié)果，所以在系統(tǒng)配置時(shí)更關(guān)注運(yùn)行模式；而變頻其實(shí)指的是電力傳動(dòng)的工作方式和結(jié)構(gòu)原理，因此在使用時(shí)會(huì)更看重控制方式。

 

適配電機(jī)和動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)

 

為了能夠達(dá)到較高的控制精度和應(yīng)用性能，伺服運(yùn)控系統(tǒng)對(duì)配套電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇通常會(huì)有著極為嚴(yán)格的要求。

 

PicSource：Kollmorgen | AKM2G

 

這不僅僅體現(xiàn)在永磁同步電機(jī)的使用上，還包括對(duì)適配電機(jī)各項(xiàng)規(guī)格的制定和設(shè)計(jì)以及不同類型的電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇方面，例如：

 

須根據(jù)負(fù)載和運(yùn)行曲線，基于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（力）、峰值轉(zhuǎn)矩（力）和額定速度選擇電機(jī)，并匹配機(jī)械傳動(dòng)速比；

更低的轉(zhuǎn)子慣量用于提升動(dòng)態(tài)性能、中/高慣量用于提升控制的穩(wěn)定性；

專用電氣連接端口，以提升系統(tǒng)的 EMC 電磁兼容（抗干擾）性能；

不同類型機(jī)械動(dòng)力輸出的連接方式（如：標(biāo)準(zhǔn)輸出軸、空心軸、法蘭輸出...），以適應(yīng)不同類型的應(yīng)用負(fù)載；

多種電機(jī)和動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)選項(xiàng)（如：直線電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)、集成減速機(jī)電機(jī)、直線電動(dòng)缸...），以滿足各類運(yùn)控應(yīng)用的性能需求；

...

 

PicSource：Rexroth

 

大部分伺服廠商往往會(huì)推薦用戶使用其標(biāo)配的驅(qū)動(dòng)和電機(jī)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)（甚至電纜和連接器）產(chǎn)品組合，很大程度上也是出于確保系統(tǒng)性能的角度所考慮的。（當(dāng)然，競爭的排他性也正在于此。）

 

PicSource：Conductix-Wampfler

 

而這些苛刻的要求在一般的變頻系統(tǒng)中就不多見了。大部分的通用變頻應(yīng)用都會(huì)采用異步電機(jī)（有些應(yīng)用會(huì)使用永磁同步電機(jī)，多數(shù)是出于節(jié)能的角度考慮），選型時(shí)需要考慮的主要就是功率、額定轉(zhuǎn)速和工作制...等等；除此以外就是基于應(yīng)用環(huán)境，選擇電機(jī)的防護(hù)等級(jí)、冷卻方式、安裝方式...等等。而對(duì)于電機(jī)慣量、電氣連接、輸出方式...等方面，就沒有太過嚴(yán)苛的要求，同時(shí)廠家基本上也不會(huì)用所謂的“配套組合”來限制用戶對(duì)于電機(jī)品牌的選擇。

 

功率范圍

 

此外，由于伺服所面對(duì)的往往是那些要求高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境，因此總體負(fù)載也會(huì)相對(duì)較輕，其總體輸出功率的范圍一般也就在幾十千瓦以內(nèi)，比起以動(dòng)力傳動(dòng)見長的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說會(huì)小很多；而那些負(fù)載較重的運(yùn)控應(yīng)用，通常都并不會(huì)有過高的響應(yīng)特性需求，一般來說異步變頻也是可以滿足要求的。

 

 

上述伺服和變頻的技術(shù)比較，更多其實(shí)還是側(cè)重在應(yīng)用的角度來看待它們二者之間的差別，而并沒有涉及到太多關(guān)于產(chǎn)品本身的部分，比如：三環(huán)的差異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成元器件的不同、過載能力的差異...等等。有關(guān)這些內(nèi)容，我會(huì)在后面的推文中和大伙兒慢慢探討。