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在交流伺服控制系统中，控制器所发出脉冲信号并不能直接控制伺服电动机的运转，需要通过一个装置来控制电动机的运转，这个装置就是交流伺服驱动器，简称伺服驱动器。图1-17所示为三菱交流伺服驱动器外形图。
图1-17 三菱交流伺服驱动器外形图
伺服驱动器又叫伺服放大器，它的作用是把控制器送来的信号进行转换并功率放大，用于驱动电动机运转，根据控制命令和反馈信号对电动机进行连续速度控制。可以说，驱动器是集功率放大和位置控制为一体的智能装置。伺服驱动器对伺服电动机的作用类似于变频器对普通三相交流感应电动机的作用。因此，把伺服驱动器和变频器进行比较分析有助于更好地理解伺服驱动器。
从原理上讲，它们都采用变频控制技术，但变频器的本质是通过改变感应电动机的供电频率来达到改变电动机转速的目的的，而伺服驱动器则是通过变频技术来实现位置的跟随控制，其速度和转矩调节均是服务于位置控制的。
从控制方式来看，变频器的控制方式较多，有开环V/F控制、闭环V/F控制、转差频率控制及有速度传感器和无速度传感器的矢量控制等方式，但基本上常用的是开环V/F控制方式。而伺服驱动器的常用控制方式为带编码器反馈的半闭环矢量控制方式。
从所采用的控制信号形式来说，变频器多数采用模拟量信号作为控制信号，而伺服驱动器则是采用脉冲信号（数字量信号）作为控制信号的。
伺服驱动器和变频器一样，带有一个操作显示面板，其作用是对驱动器状态（工作方式）、诊断、报警和内置参数进行操作和显示。驱动器的端口连接有主回路输入/输出、模拟量输入/输出、开关量输入/输出、位置给定输入/输出、反馈脉冲输出、编码器输入和通信连接等。由于伺服驱动器和变频器所驱动的对象不同，在实际使用上有很大不同。变频器所驱动的是三相交流异步电动机，它的三相输出电源线可以不分相序与电动机连接，调换任意两根相线可以改变电动机的转向，伺服驱动器则不行，它的三相电源输出线必须按规定的相序与伺服电动机的同名端相连，不能接错，若接错，电动机则不转。一台变频器可以拖动一台等于或小于它输出功率的电动机，也可以拖动电动机功率总和小于它输出功率的多台电动机，而且变频器对电动机的品牌没有要求，只要是额定电压相同，功率相匹配的电动机都可以拖动。但伺服驱动器则不然，由于它工作在矢量控制方式，矢量控制是以电动机的各项基本参数为依据进行的，在设计时已把相应的电动机基本参数考虑在软件中，所以一台驱动器只能拖动一台伺服电动机，而且驱动器和伺服电动机原则上是由同一厂家生产的，匹配时必须严格按照厂家手册所规定的选配。
变频器控制电动机一般采用开环控制方式，在某些要求较高的场合，也可以采用编码器反馈的闭环矢量控制方式。伺服驱动器则完全采用与伺服电动机同步的旋转编码器半闭环矢量控制方式。在控制电路设计上，编码器反馈信号被分解成转子位置速度反馈和位置反馈信号分别对转矩、速度和位置进行闭环自动调节。加之伺服电动机特有的过载特性和制动特性，使得伺服驱动器的调速范围远大于变频器，其调速比可达5000以上，调速精度也远高于变频器，速度误差可以控制在小于0.01%，速度响应更是远远快过变频器，一般变频器的频率响应仅2～20Hz，即使闭环矢量控制也只能达到40～50Hz，而伺服驱动器可达到400～600Hz。在过载能力上，伺服驱动器在输出频率为0时仍然有额定转矩输出，而变频器基本上做不到。在制动性能上，电动机在运行时停电会马上产生较大的制动转矩，更适合快速制动的场合。上面这些差别决定了伺服驱动器和变频器的应用场合是不一样的。一般变频器多数用在速度调节上，仅在矢量控制方式上才能进行速度和转矩控制，而在位置控制上，由于感应电动机的惯性，变频器虽能进行位置控制，但控制精度并不能提高。伺服驱动器的控制性能远高于变频器，可以说凡是变频器能够控制的场合，伺服驱动器一般都可以替代，凡是控制要求较高的场合，更是非伺服驱动器不可。特别是在位置控制上，目前绝大部分都是采用伺服驱动器来控制的（或步进驱动控制）。
总的来说，变频器是一台主要用在传动控制上进行变频调速的通用装置，而伺服驱动器是一台主要用于位置控制的一对一专用装置。
伺服驱动器控制的缺点是：价格较贵，成本较高，适用于恒转矩调速的场合，不能用于恒功率调速场合。目前，伺服电动机和伺服驱动器的功率还不能做到变频器那么大。
伺服驱动器有三种控制方式：位置控制、速度控制和转矩控制。它们分别对电动机的运行位置、运行速度和输出转矩进行控制。三种控制方式中，最常用的是位置控制方式。在下面章节中将对三种控制方式特别是位置控制方式进行一些简单讲解。
用于定位控制时，必须给伺服驱动器发出定位控制指令。目前，定位控制指令都是以脉冲串的形式送入伺服驱动器的，对于产生定位脉冲串的控制器并没有一定的要求，只要能产生符合要求的脉冲串就行。常见的脉冲发生控制器有PLC、单片机、各种定位控制模块、运动控制卡等。本书重点介绍三菱FX PLC及三菱FX定位模块与伺服驱动器的应用。
本书第6章、第7章专门介绍了三菱MR-J3伺服驱动器的应用知识。
本节仅对伺服驱动器的内部主要电路结构、信号流程做一些简单介绍，使读者有所了解，详细的讲解可参见其他书籍或资料。
图1-18为伺服驱动器内部电路框图。下面就图中各部分进行一些讲解。
图1-18 伺服驱动器内部电路框图
1）主电路
主电路为将电源为50Hz的交流电转变为电压、频率可变的交流电的装置，它由整流、电容、再生制动和逆变四部分组成，如图1-19所示。
图1-19 伺服驱动器主电路图
（1）整流回路。将交流电转变成直流电，为逆变电路提供直流电源，可分为单相和三相整流桥不控整流电路。
（2）平滑电容。对整流电源进行平滑，减小其脉动成分。
（3）再生制动。所谓再生制动就是指电动机的实际转速高于指令速度时产生能量回馈的现象。再生制动回路就是用来消耗这些回馈能源的装置。按照再生制动回路的种类，可以分为：小容量（0.4kW以下）采用电容再生方式；中容量（0.4～11kW）采用电阻再生制动方式，其中又可分为内置电阻方式、外接电阻方式、外接制动单元方式；大容量（11kW以上）采用电源再生方式。
（4）逆变回路。逆变电路一般采用脉宽调制（PWM）技术，通过电子电力器件的通、断（由控制电路控制）将直流电转换成一定形状的脉冲序列，在交流调速中可以代替正弦波驱动电动机。采用PWM技术，只要改变脉冲的宽度与分配方式便可以同时改变电压、电流的幅值和频率，从而控制电动机的转速和转矩。
（5）动态制动器。这个部件在变频器中是没有的，是专为伺服电动机增加的，图中未画出。当电动机停止时，它能吸收伺服电动机所积蓄的惯性能力，对伺服电动机进行制动。
2）控制电路
伺服驱动器的控制电路比变频器复杂得多，变频器的基本应用是开环控制，当附加编码器并通过PG板反馈后才形成闭环控制。而伺服驱动器的三种控制方式均为闭环控制。控制电路原理如图1-18所示。由图可知，控制电路由三个闭合的环路组成，其中内环为电流环，外环为速度环和位置环。现将伺服驱动器的三种控制方式简介如下。
（1）转矩控制。通过外部模拟量的输入或对直接地址赋值来设定电动机轴对外输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。转矩控制由电流环组成。在变频器中采用编码器的矢量控制方式就是电流环控制。电流环又叫伺服环，当输入给定转矩指令后，驱动器将输出恒定转矩。如果负载转矩发生变化，电流检测和编码器将把电动机运行参数反馈到电流环输入端和矢量控制器，通过调节器和控制器自动调整电动机的转速变化。
（2）速度控制。通过模拟量的输入或脉冲的频率对转动速度的控制为速度控制。速度控制是由速度环完成的，当输入速度给定指令后，由编码器反馈的电动机速度被送到速度环的输入端与速度指令进行比较，其偏差经过速度调节器处理后通过电流调节器和矢量控制器电路来调节逆变功率放大电路的输出使电动机的速度趋近指令速度，保持恒定。
速度调节器实际上是一个PID控制器。对P、I、D控制参数进行整定就能使速度恒定在指令速度上。速度环虽然包含电流环，但这时电流并没有起输出转矩恒定的作用。仅起到输入转矩限制功能的作用。
（3）位置控制。位置控制是伺服中最常用的控制，位置控制模式一般是通过外部输入脉冲的频率来确定转动速度大小的，通过脉冲的个数确定转动的角度，所以一般应用于定位装置。
位置控制由位置环和速度环共同完成。在位置环输入位置指令脉冲，而编码器反馈的位置信号也以脉冲形式送入输入端，在偏差计数器进行偏差计数，计数的结果经比例放大后作为速度环的指令速度值，经过速度环的PID控制作用使电动机运行速度保持与输入位置指令的频率一致。当偏差计数为0时，表示运动位置已到达。关于位置调节器的组成及功能将在下面进行详细讲解。
伺服驱动器虽然有三种控制方式，但只能选择一种控制方式工作，可以在不同的控制方式间进行切换，但不能同时选择两种控制方式。
上面简单地介绍了伺服驱动器的主电路和控制电路的组成及其功能。主电路本质上是一个变频电路，它是由各种电子、电力元器件组成的，是一个硬件电路。控制电路根据信号的处理则分为模拟控制方式和数字控制方式两种，模拟控制方式是由各种集成运算放大器、电子元器件等组成的模拟电子线路实现的。数字控制方式则内含微处理器（CPU），由CPU和数字集成电路，加上使用软件算法来实现各种调节运算功能。数字控制方式的一个重要优点是真正实现了三环控制，而模拟控制方式只能实现速度环和电流环的控制。因此，目前进行位置控制的伺服驱动器都采用数字控制方式，而且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，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。