伺服驅動器(servo drives)又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分，主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。

　　圖1、伺服驅動器伺服驅動器是伺服控制系統的重要組成部分，伺服驅動器相當于大腦，電機相當于手腳，被廣泛應用于工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。 控制交流永磁同步電機的伺服驅動器 是 國內外研究熱點。 伺服驅動器在伺服控制系統中的作用就是調節電機的轉速，因此也是一個自動調速系統。 當前交流伺服驅動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。 該算法中速度閉環設計合理與否，對于整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用。

　　圖2、伺服控制系統伺服系統按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統、交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統。按控制方式劃分，有開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統等，實際上數控系統也分成開環、閉環和半閉環3種類型。伺服驅動器均采用數字信號處理器(DSP)作為控制核心，可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化;功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入了軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。工作原理圖如下所示：

　　圖3、伺服驅動器的工作原理圖DSP芯片原廠有德州儀器、意法半導體、亞德諾、瑞薩、進芯、昊芯、先楫半導體等;IPM原廠有英飛凌、三菱電機、富士電機、安森美、賽米控、東芝、新電元、羅姆、三墾、POWEREX、CISSOID、威科、斯達半導、士蘭、宏微、銀茂微、揚杰、臺基、華潤微、賽晶、陸芯、芯能、中微半導、中科君芯、天毅半導體、中恒微、衛光等。整流部：通過整流部，將交流電源變為直流電源，經電容濾波，產生平穩無脈動的直流電源。逆變部：由控制部過來的SPWM信號，驅動IGBT，將直流電源變為SPWM波形，以驅動伺服電機。控制部分：伺服單元采用全數字化結構，通過高性能的硬件支持，實現閉環控制的軟件化，現在所有的伺服已采用(DSP數字信號處理)芯片，DSP能夠執行位置、速度、轉矩和電流控制器的功能。給出PWM信號控制信號作用于功率驅動單元，并能夠接收處理位置與電流反饋，具有通訊接口。編碼器：安裝在伺服電機上用來測量磁極位置和伺服電機轉角及轉速的一種傳感器，編碼器(encoder)是將信號(如比特流)或數據進行編制、轉換，使信號可以進行通信、傳輸和存儲的設備，編碼器主要用于測量電動機的旋轉角位移和速度。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，測量角位移的編碼器者稱為碼盤，測量直線位移的編碼器稱為碼尺。

　　圖 4 、編碼器目前，伺服控制系統的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，主要有大功率晶體管(GTR)、功率場效應管 (MOSFET)和絕緣門極晶體管(IGPT)等。這些先進器件的應用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統的響應速度，降低了運行噪聲。尤其值得一提的是，新型伺服控制系統已經開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊(Intelligent Power Modules，簡稱IPM)。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接兼容。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現了伺服系統的小型化和微型化。

　　圖 5 、一款伺 服驅動器內部

　　接下來我們以兩款伺服驅動器的拆解，分析其主要元器件構成。

　　1、Allen-Bradley的Kinetix 5700雙軸伺服驅動器，型號是2198-D006-ERS，主要規格是458-746VDC輸入、2個6.3A峰值輸出電流。

　　DSP主控芯片：1顆德州儀器的TMS320F28032PNT，一款Piccolo微控制器，高效率的32位CPU，具有60MHz(16.67ns周期時間)主頻和64KB閃存，包括用于ePWM和高分辨率PWM(HRPWM)的增強型控制外設。

　　IGBT模塊： 2顆英飛凌的FS25R12W1T4_B11，一款1200V/25A IGBT4 EasyPACK模塊。

　　IGBT柵極驅動光耦：12顆 博通 ( Broadcom )的 ACPL-336J，一款2.5A IGBT柵極驅動光耦 、 集成(VCE)去飽和檢測，有源米勒鉗位、故障和欠壓鎖定(UV LO)狀態反饋。

　　隔離芯片： 3顆博通(Broadcom)的ACPL-C87B，一款精密光電隔離電壓傳感器，具有±0.5%的增益容差。

　　電流變送器：4顆萊姆(LEM)的HLSR-10SM，一款10A電流變送器，用于大電流感測。

　　直流總線大容量電容器：2顆貴彌功的400V/330μF電解電容器。

　　保險絲：1顆Bussmann的FWP-50A14Fa，一款700V/50A高速保險絲。

　　變壓器：隔離開關電源。

　　FPGA芯片： 英特爾/阿爾特拉的Cyclone V SE SoC 5CSEA5。一款帶嵌入式外設的雙核ARM Cortex-A9硬處理器系統(HPS)、多端口內存控制器、串行收發器和PCI Express(PCIe)端口。

　　存儲器芯片：2顆美光的DDR2 SDRAM。

　　以太網通信芯片：2顆微芯/麥瑞的KSZ8041TL1，一款10 Base-T/100 Base-TX收發器。

　　2、 倫茨(Lenze)的伺服驅動器，型號：E70ACMSE0104SA2ETR，一款2 x 10A、400/480V雙軸伺服。

　　DSP主控芯片：1顆德州儀器的TMS320F28032PNT，一款Piccolo微控制器，高效率的32位CPU，具有60MHz(16.67ns周期時間)主頻和64KB閃存，包括用于ePWM和高分辨率PWM(HRPWM)的增強型控制外設。

　　IGBT模塊：2顆威科(Vincotech)的V23990-P708-F40-PM，擊穿電壓為1200V、標稱芯片電流額定值為15A，IGBT4 flow90PACK1模塊。

　　IGBT柵極驅動光耦：12顆博通(Broadcom)的ACPL-T350。一款 具有低Icc電流的2.5A IGBT柵極驅動光耦， 最大開關速度為500ns， 工業溫度范圍： -40°C至100°C。

　　隔離放大器： 6顆博通(Broadcom)的ACPL-C790。一款精密光學隔離放大器、增益容差為±3.0%，15kV/μs共模瞬態抗擾能力，200kHz寬帶寬，-40°C至+105°C工作溫度范圍。

　　光電晶體管：11顆夏普的PC123光電晶體管。在IF=5mA、VCE=5V條件下，電流傳輸比(CTR)：最小50%。增強絕緣型(隔離距離：最小0.4mm)。

　　直流母線大容量電容器：3顆愛普科斯(EPCOS)卡入式400V/330μF電解電容器。

　　繼電器： 宏發(Hongfa)的HF115F微型大功率繼電器。 絕緣阻抗1000M(@500VDC)。 線圈和觸點間的介電強度5000VAC@1min。 斷開觸點間1000VAC@1min。 觸點組間2500VAC@1min。 浪涌電壓(線圈和觸點之間) 是10kV(1.2/50μs)。 吸合時間(標稱電壓)最大15ms。 釋放時間(標稱電壓)最大8ms。 溫升(標稱電壓)最大55K。 抗沖擊能力98m/s2; 破壞性沖擊980m/s2。

　　保險絲：力特(LittelFuse)的SPF系列光伏保險絲，UL認證最大1000VDC、30A標稱、緊湊型10 x 38mm大小。

　　變壓器：隔離開關電源。

　　DSP主控芯片：德州儀器的TMS320F28032PNT Piccolo微控制器，負責信號處理和通信控制。

　　以太網通信芯片：倍福(Beckhoff)的ET1100-0003。一款EtherCat ASIC芯片，配備8個FMMU(現場存儲器管理單元/Fieldbus Memory Management Unit)、 8kbyte的DPRAM、64位分布式時鐘。

　　這款伺服驅動器電機驅動的原理框圖如下，適用于加工和包裝機器或機器人應用中的簡單定位任務或高動態、精確、多軸應用。

　　圖6、伺服驅動器電機驅動的原理框圖

　　伺服驅動器的電氣和硬件設計，在穩定性、可靠性和安全性方面要求會比商業級高，相應的芯片選型和項目設計工作則更難。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數年已積累了豐富的優勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產業供需略盡綿薄之力。

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