西门子S120产品对于电机的伺服控制是基于矢量控制的原理。如下图所示，变频器测量电机的三相电流，经过3/2变换后得到电机的实际扭矩电流与励磁电流。扭矩电流id 、励磁电流iq 与电流设定值进行比较，构成电流环。同时经过编码器反馈电机的实际转速，与速度设定值比较，构成速度闭环。

基于矢量分解的伺服控制方式

相对于矢量控制，伺服控制有更高的动态特性需求。对于S120驱动器（集矢量控制与伺服控制于一身的驱动器），二者又有哪些区别呢？首先，伺服控制的采样周期更短。当然，驱动器采样周期与PWM控制脉冲频率以及最大输出频率都有制约关系。另外，对于电机模型，伺服控制较为简化、直接，这一点在无传感器闭环控制中体现明显。

伺服控制与矢量控制比较

驱动器的过载能力

需要根据负载的大小来考虑驱动器的过载能力，因为大多数的伺服应用场合，负载都会周期性变化，选择多大的驱动器能够满足最大加速度控制的需求，是选择驱动器的重要因素。各个产品的过载能力有所不同，S120的过载能力如下图所示。

S120驱动器的过载能力

驱动器的技术参数包括最大电流Imax 、额定电流Irated 以及重载电流IH 等。过载系数越大，所能持续的时间越短。过载能力不足会导致驱动器产生过温故障。

数字滤波器

在全数字化的高精度伺服控制中，数字滤波器是必不可少的设计环节，主要针对控制回路以及反馈回路的噪声、扰动以及谐振等。根据不同的应用场合，滤波器的种类也不尽相同，例如机床主轴里面的共振追随型HRV滤波器是为了防止机床产生的机械振动。因此，要恰当地选择与设计数字滤波器，必须对电机与机械系统的振荡类型有所了解。

振荡类型有以下几种。

（1）调整振荡

调整振荡为低频振荡，振荡频率为几赫，振荡幅度为几度到几十度，有时超出控制区。低频振荡由位置控制频率带宽和速度控制频率带宽失衡引起，如速度控制频率带宽为位置控制频率带宽的1/3；也可能是自动调整时惯量力矩值不合适，如大于1.5倍时。处理方法是反复执行自动调整操作并检查惯量值，其误差不能大于20%；或降低伺服刚度设置参数。

（2）爬行

振动现象类似于调整振荡。当执行低速运行指令时，反复一走一停，是静摩擦力大于低速时的动摩擦力所致。原因是位置积分限制值太大，位置偏差太大，从而使控制系统不稳定。处理方法是调整积分限制值或增加系统刚度。

（3）相移振荡

振荡频率为几十赫到200Hz，振荡幅度不低于几十度。原因是速度输出信号相位落后于速度输入信号相位180°，由控制理论可知这时系统无稳定余量。当各种滤波器使用相同的频率或速度控制带宽和滤波器频率带宽相同时都可产生这种振荡。处理方法为降低伺服刚度设置参数。

（4）谐振

振荡频率为几十赫到2kHz，振荡幅度至多为几度，依结构而定。谐振时振幅小而频率高，常可听到震颤噪声。系统刚度小易引起这种现象。另外，负载与电机惯量比过大也会引起高频的谐振，负载的机械谐振扰动进入速度控制环，多数情况下有几个谐振频率。所以设计系统时，机械谐振频率应尽量高，至少要高于系统控制带宽的5倍。结构设计时应注意刚性设计，避免细长杆结构，尽量减小负载与电机的惯量比。还可以调整滤波器抑制频率谐振点增益。

为了更好地抑制干扰与消除谐振，S120驱动器设计了以下几种滤波器：①编码器反馈滤波器；②电流环滤波器；③速度环滤波器。

编码器反馈滤波器为平滑滤波器，用户仅需要设置平滑时间，如下图所示。

编码器滤波时间设置

电机编码器

由于编码器的反馈信号含有噪声信号，导致电机在运行过程中产生啸叫声，以至于故障停机，驱动器的输出电流发生自激现象，如下图所示。

由编码器引起的自激振荡

上述问题是通过在编码器的反馈通道上设置滤波时间得以解决的。但是需要注意的是：滤波时间不宜过长，否则会给系统带来相位上的较大延迟，从而引起系统不稳定。

电流环数字滤波器

如上图所示，在速度闭环与电流闭环的前端有2个速度数字滤波器与4个电流数字滤波器，滤波器的模型基于二阶系统函数，如下式所示。

可以设置滤波器类型如下：

（1）二阶低通滤波器

二阶低通滤波器幅频、相频曲线

式中，  为二阶特征频率，   为阻尼。

低通滤波器可以消除信号在高频的噪声信号，通常被加在电流环的前端。

（2）带阻滤波器

带阻滤波器幅频、相频曲线

（3）带削减的低通滤波器

低通滤波器幅频、相频曲线