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。

　　图1、伺服驱动器伺服驱动器是伺服控制系统的重要组成部分，伺服驱动器相当于大脑，电机相当于手脚，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。 控制交流永磁同步电机的伺服驱动器 是 国内外研究热点。 伺服驱动器在伺服控制系统中的作用就是调节电机的转速，因此也是一个自动调速系统。 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。

　　图2、伺服控制系统伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统、交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型。伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，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，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。工作原理图如下所示：

　　图3、伺服驱动器的工作原理图DSP芯片原厂有德州仪器、意法半导体、亚德诺、瑞萨、进芯、昊芯、先楫半导体等;IPM原厂有英飞凌、三菱电机、富士电机、安森美、赛米控、东芝、新电元、罗姆、三垦、POWEREX、CISSOID、威科、斯达半导、士兰、宏微、银茂微、扬杰、台基、华润微、赛晶、陆芯、芯能、中微半导、中科君芯、天毅半导体、中恒微、卫光等。整流部：通过整流部，将交流电源变为直流电源，经电容滤波，产生平稳无脉动的直流电源。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。编码器：安装在伺服电机上用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速的一种传感器，编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换，使信号可以进行通信、传输和存储的设备，编码器主要用于测量电动机的旋转角位移和速度。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，测量角位移的编码器者称为码盘，测量直线位移的编码器称为码尺。

　　图 4 、编码器目前，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著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，新型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兼容。它的应用显著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。

　　图 5 、一款伺 服驱动器内部

　　接下来我们以两款伺服驱动器的拆解，分析其主要元器件构成。

　　1、Allen-Bradley的Kinetix 5700双轴伺服驱动器，型号是2198-D006-ERS，主要规格是458-746VDC输入、2个6.3A峰值输出电流。

　　DSP主控芯片：1颗德州仪器的TMS320F28032PNT，一款Piccolo微控制器，高效率的32位CPU，具有60MHz(16.67ns周期时间)主频和64KB闪存，包括用于ePWM和高分辨率PWM(HRPWM)的增强型控制外设。

　　IGBT模块： 2颗英飞凌的FS25R12W1T4_B11，一款1200V/25A IGBT4 EasyPACK模块。

　　IGBT栅极驱动光耦：12颗 博通 ( Broadcom )的 ACPL-336J，一款2.5A IGBT栅极驱动光耦 、 集成(VCE)去饱和检测，有源米勒钳位、故障和欠压锁定(UV LO)状态反馈。

　　隔离芯片： 3颗博通(Broadcom)的ACPL-C87B，一款精密光电隔离电压传感器，具有±0.5%的增益容差。

　　电流变送器：4颗莱姆(LEM)的HLSR-10SM，一款10A电流变送器，用于大电流感测。

　　直流总线大容量电容器：2颗贵弥功的400V/330μF电解电容器。

　　保险丝：1颗Bussmann的FWP-50A14Fa，一款700V/50A高速保险丝。

　　变压器：隔离开关电源。

　　FPGA芯片： 英特尔/阿尔特拉的Cyclone V SE SoC 5CSEA5。一款带嵌入式外设的双核ARM Cortex-A9硬处理器系统(HPS)、多端口内存控制器、串行收发器和PCI Express(PCIe)端口。

　　存储器芯片：2颗美光的DDR2 SDRAM。

　　以太网通信芯片：2颗微芯/麦瑞的KSZ8041TL1，一款10 Base-T/100 Base-TX收发器。

　　2、 伦茨(Lenze)的伺服驱动器，型号：E70ACMSE0104SA2ETR，一款2 x 10A、400/480V双轴伺服。

　　DSP主控芯片：1颗德州仪器的TMS320F28032PNT，一款Piccolo微控制器，高效率的32位CPU，具有60MHz(16.67ns周期时间)主频和64KB闪存，包括用于ePWM和高分辨率PWM(HRPWM)的增强型控制外设。

　　IGBT模块：2颗威科(Vincotech)的V23990-P708-F40-PM，击穿电压为1200V、标称芯片电流额定值为15A，IGBT4 flow90PACK1模块。

　　IGBT栅极驱动光耦：12颗博通(Broadcom)的ACPL-T350。一款 具有低Icc电流的2.5A IGBT栅极驱动光耦， 最大开关速度为500ns， 工业温度范围： -40°C至100°C。

　　隔离放大器： 6颗博通(Broadcom)的ACPL-C790。一款精密光学隔离放大器、增益容差为±3.0%，15kV/µs共模瞬态抗扰能力，200kHz宽带宽，-40°C至+105°C工作温度范围。

　　光电晶体管：11颗夏普的PC123光电晶体管。在IF=5mA、VCE=5V条件下，电流传输比(CTR)：最小50%。增强绝缘型(隔离距离：最小0.4mm)。

　　直流母线大容量电容器：3颗爱普科斯(EPCOS)卡入式400V/330µF电解电容器。

　　继电器： 宏发(Hongfa)的HF115F微型大功率继电器。 绝缘阻抗1000M(@500VDC)。 线圈和触点间的介电强度5000VAC@1min。 断开触点间1000VAC@1min。 触点组间2500VAC@1min。 浪涌电压(线圈和触点之间) 是10kV(1.2/50µs)。 吸合时间(标称电压)最大15ms。 释放时间(标称电压)最大8ms。 温升(标称电压)最大55K。 抗冲击能力98m/s2; 破坏性冲击980m/s2。

　　保险丝：力特(LittelFuse)的SPF系列光伏保险丝，UL认证最大1000VDC、30A标称、紧凑型10 x 38mm大小。

　　变压器：隔离开关电源。

　　DSP主控芯片：德州仪器的TMS320F28032PNT Piccolo微控制器，负责信号处理和通信控制。

　　以太网通信芯片：倍福(Beckhoff)的ET1100-0003。一款EtherCat ASIC芯片，配备8个FMMU(现场存储器管理单元/Fieldbus Memory Management Unit)、 8kbyte的DPRAM、64位分布式时钟。

　　这款伺服驱动器电机驱动的原理框图如下，适用于加工和包装机器或机器人应用中的简单定位任务或高动态、精确、多轴应用。

　　图6、伺服驱动器电机驱动的原理框图

　　伺服驱动器的电气和硬件设计，在稳定性、可靠性和安全性方面要求会比商业级高，相应的芯片选型和项目设计工作则更难。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了丰富的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。

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