打入行開始就總是會聽到有人談論“伺服和變頻之間的區(qū)別”，不過我一直覺得，將他們放在一起比較其實是不夠嚴謹?shù)模缙比χ袧h斯總的一段評論所說：

 

變頻其實是指電力傳動的工作方式和結(jié)構(gòu)原理，而伺服強調(diào)的是控制性能和應用結(jié)果，二者并不是同一個范疇內(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)動技術，交流伺服與一般的變頻（電機）驅(qū)動系統(tǒng)相比有哪些特別之處”這樣的提法會顯得更合適些。

 

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

 

PicSouce：Gerhard Schubert

 

一般的變頻驅(qū)動系統(tǒng)，解決的是為設備機電系統(tǒng)提供機械傳動所需動力的問題，用以驅(qū)動負載產(chǎn)生速度、壓力，有時也會用于實現(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)提供高動態(tài)、高精度的位置、速度或轉(zhuǎn)矩/力的控制。正是這種在應用對象上的巨大差別，讓這兩種“變頻驅(qū)動”系統(tǒng)在很多方面都表現(xiàn)出極大的差異。具體來說，可以從以下幾個方面進行比較：

 

PicSouce：Danfoss | VLT Midi Drive

 

控制接口

 

普通變頻驅(qū)動系統(tǒng)對于速度、壓力、位置...等應用對象在指令更新的時間精度上往往并沒有太高的要求，這當然與其相對較低的應用精度有很大的關系。新的控制指令數(shù)據(jù)早晚幾個毫秒送達，對驅(qū)動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時以太網(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間刻度精確到微妙級，并能夠以極為確定的時間周期進行實時的數(shù)據(jù)交互。否則，失之毫厘便會謬以千里，無法達到所需的運動控制性能。這就是為什么長期以來，伺服驅(qū)動器都需要使用高頻脈沖串和專用運控總線作為控制輸入的一個重要原因；而如果要將以太網(wǎng)作為伺服驅(qū)動的控制端口，則必須采用具備時間確定性的實時以太網(wǎng)技術。

 

PicSource：motioncontroltips

 

動態(tài)特性

 

在自動化應用中，只要是閉環(huán)控制系統(tǒng)，就需要能夠在一定的時間窗口內(nèi)對應用負載端的動作偏差作出反應并及時調(diào)節(jié)，變頻驅(qū)動如此，交流伺服也是一樣。但由于伺服系統(tǒng)常常需要應對較高的控制精度，須能以更快的速度對更加細微的誤差作出響應，因此其響應調(diào)節(jié)的時間周期也就必須更短，通常都得是毫秒甚至微秒級的。與此相對應，很多伺服產(chǎn)品的速度頻響帶寬（BandWidth）都能夠達到 kHz 級別。而反觀一般的變頻驅(qū)動產(chǎn)品，這個頻響帶寬往往也就在幾百 Hz。

 

PicSource：Heidenhain | Endat 2.2

 

應用反饋

 

要能夠及時響應應用端的動作誤差，自然離不開來自負載側(cè)的速度和位置反饋。正如前文中所述，系統(tǒng)中是否有用于實現(xiàn)控制的面向應用對象的反饋機制，是伺服區(qū)別于一般的電機傳動技術的一個重要標志。同時，還是因為在控制精度和響應速度上的高要求，伺服應用的反饋往往需要具備極高的測量精度和分辨率，以做到對包括速度、壓力、位置...等在內(nèi)的應用對象的任何細微動態(tài)變化都足夠敏感，在這種情況下，幾千線的電機反饋，其實已經(jīng)很難滿足伺服應用的性能要求了。

 

PicSource：SICK | DFS60

 

當然，現(xiàn)在通用的變頻驅(qū)動系統(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，它們對應用端反饋在測量精度和分辨率等方面的各項要求遠不如伺服運控系統(tǒng)那么高，并且多以速度反饋為主，很多時候，簡單的 PG 反饋也就足夠了。

 

PicSource：motioncontroltips

 

運行模式與控制方式

 

運行模式指的是系統(tǒng)所要控制的應用對象類型是位置、速度還是轉(zhuǎn)矩。從這個角度看伺服系統(tǒng)大都還是以位置模式為主的，有時會根據(jù)應用需求切換到速度或轉(zhuǎn)矩模式；而對于一般的變頻系統(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現(xiàn)對某個應用對象的控制時，采取怎樣的方法。這個，在伺服系統(tǒng)里，基本就只有矢量控制了，顯然，這是由伺服應用本身所要達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別的應用需求，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

 

這一點也再次印證了我們之前所說的，伺服和變頻其實是兩個不同范疇的概念，伺服強調(diào)的是控制性能和應用結(jié)果，所以在系統(tǒng)配置時更關注運行模式；而變頻其實指的是電力傳動的工作方式和結(jié)構(gòu)原理，因此在使用時會更看重控制方式。

 

適配電機和動力執(zhí)行機構(gòu)

 

為了能夠達到較高的控制精度和應用性能，伺服運控系統(tǒng)對配套電機和執(zhí)行機構(gòu)的選擇通常會有著極為嚴格的要求。

 

PicSource：Kollmorgen | AKM2G

 

這不僅僅體現(xiàn)在永磁同步電機的使用上，還包括對適配電機各項規(guī)格的制定和設計以及不同類型的電機執(zhí)行機構(gòu)的選擇方面，例如：

 

須根據(jù)負載和運行曲線，基于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（力）、峰值轉(zhuǎn)矩（力）和額定速度選擇電機，并匹配機械傳動速比；

更低的轉(zhuǎn)子慣量用于提升動態(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；

不同類型機械動力輸出的連接方式（如：標準輸出軸、空心軸、法蘭輸出...），以適應不同類型的應用負載；

多種電機和動力執(zhí)行機構(gòu)選項（如：直線電機、直驅(qū)電機、集成減速機電機、直線電動缸...），以滿足各類運控應用的性能需求；

...

 

PicSource：Rexroth

 

大部分伺服廠商往往會推薦用戶使用其標配的驅(qū)動和電機/執(zhí)行機構(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用都會采用異步電機（有些應用會使用永磁同步電機，多數(shù)是出于節(jié)能的角度考慮），選型時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用環(huán)境，選擇電機的防護等級、冷卻方式、安裝方式...等等。而對于電機慣量、電氣連接、輸出方式...等方面，就沒有太過嚴苛的要求，同時廠家基本上也不會用所謂的“配套組合”來限制用戶對于電機品牌的選擇。

 

功率范圍

 

此外，由于伺服所面對的往往是那些要求高精度、高動態(tài)響應的應用環(huán)境，因此總體負載也會相對較輕，其總體輸出功率的范圍一般也就在幾十千瓦以內(nèi)，比起以動力傳動見長的變頻驅(qū)動系統(tǒng)來說會小很多；而那些負載較重的運控應用，通常都并不會有過高的響應特性需求，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比較，更多其實還是側(cè)重在應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。有關這些內(nèi)容，我會在后面的推文中和大伙兒慢慢探討。