淺談IPM PIM 伺服驅動的功率器件和前級控制電路

伺服驅動器

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(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。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(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產品。

伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。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(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關鍵作用 ［1］ 。

在伺服驅動器速度閉環(huán)中，電機轉子實時速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉速控制動靜態(tài)特性至關重要。為尋求測量精度與系統(tǒng)成本的平衡，一般采用增量式光電編碼器作為測速傳感器，與其對應的常用測速方法為M/T測速法。M/T測速法雖然具有一定的測量精度和較寬的測量范圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：1）測速周期內必須檢測到至少一個完整的碼盤脈沖，限制了最低可測轉速；2）用于測速的2個控制系統(tǒng)定時器開關難以嚴格保持同步，在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度。因此應用該測速法的傳統(tǒng)速度環(huán)設計方案難以提高伺服驅動器速度跟隨與控制性能 。

工作原理

目前主流的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，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調試、伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題，越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究。

伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。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(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關鍵作用。

基本要求

伺服進給系統(tǒng)的要求

1、調速范圍寬

2、定位精度高

3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性

4、快速響應，無超調

為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。

5、低速大轉矩，過載能力強

一般來說，伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時間內可以過載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

要求數控機床的進給驅動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾的能力。

對電機的要求

1、從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現象。

2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4～6倍而不損壞。

3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。

4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。

測試平臺

目前，伺服驅動器的測試平臺主要有以下幾種：采用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平臺、采用可調模擬負載的測試平臺、采用有執(zhí)行電機而沒有負載的測試平臺、采用執(zhí)行電機拖動固有負載的測試平臺和采用在線測試方法的測試平臺 。

1采用伺服驅動器—電動機互饋對拖的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由四部分組成，分別是三相PWM整流器、被測伺服驅動器—電動機系統(tǒng)、負載伺服驅動器—電動機系統(tǒng)及上位機，其中兩臺電動機通過聯(lián)軸器互相連接。被測電動機工作于電動狀態(tài)，負載電動機工作于發(fā)電狀態(tài)。被測伺服驅動器—電動機系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來控制整個測試平臺的轉速，負載伺服驅動器—電動機系統(tǒng)工作于轉矩閉環(huán)狀態(tài)，通過控制負載電動機的電流來改變負載電動機的轉矩大小，模擬被測電機的負載變化，這樣互饋對拖測試平臺可以實現速度和轉矩的靈活調節(jié)，完成各種試驗功能測試。上位機用于監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行，根據試驗要求向兩臺伺服驅動器發(fā)出控制指令，同時接收它們的運行數據，并對數據進行保存、分析與顯示。

對于這種測試系統(tǒng)，采用高性能的矢量控制方式對被測電動機和負載設備分別進行速度和轉矩控制，即可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態(tài)性能，完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但由于使用了兩套伺服驅動器—電動機系統(tǒng)，所以這種測試系統(tǒng)體積龐大，不能滿足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較復雜、成本也很高。

2采用可調模擬負載的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統(tǒng)、可調模擬負載及上位機。可調模擬負載如磁粉制動器、電力測功機等，它和被測電動機同軸相連。上位機和數據采集卡通過控制可調模擬負載來控制負載轉矩，同時采集伺服系統(tǒng)的運行數據，并對數據進行保存、分析與顯示。對于這種測試系統(tǒng)，通過對可調模擬負載進行控制，也可模擬各種負載情況下伺服驅動器的動、靜態(tài)性能，完成對伺服驅動器的全面而準確的測試。但這種測試系統(tǒng)體積仍然比較大，不能滿足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較復雜、成本也很高。

3采用有執(zhí)行電機而沒有負載的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由兩部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統(tǒng)和上位機。上位機將速度指令信號發(fā)送給伺服驅動器，伺服驅動器按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數據采集電路采集伺服系統(tǒng)的運行數據，并對數據進行保存、分析與顯示。由于這種測試系統(tǒng)中電機不帶負載，所以與前面兩種測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)體積相對減小，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較簡單，但是這也使得該系統(tǒng)不能模擬伺服驅動器的實際運行情況。通常情況下，此類測試系統(tǒng)僅用于被測系統(tǒng)在空載情況下的轉速和角位移的測試，而不能對伺服驅動器進行全面而準確的測試。

4采用執(zhí)行電機拖動固有負載的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測伺服驅動器—電動機系統(tǒng)、系統(tǒng)固有負載及上位機。上位機將速度指令信號發(fā)送給伺服驅動器，伺服系統(tǒng)按照指令開始運行。在運行過程中，上位機和數據采集電路采集伺服系統(tǒng)的運行數據，并對數據進行保存、分析與顯示。

對于這種測試系統(tǒng)，負載采用被測系統(tǒng)的固有負載，因此測試過程貼近于伺服驅動器的實際工作情況，測試結果比較準確。但由于有的被測系統(tǒng)的固有負載不方便從裝備上移走，因此測試過程只能在裝備上進行，不是很方便。

5采用在線測試方法的測試平臺

這種測試系統(tǒng)只有數據采集系統(tǒng)和數據處理單元。數字采集系統(tǒng)將伺服驅動器在裝備中的實時運行狀態(tài)信號進行采集和調理，然后送給數據處理單元供其進行處理和分析，最終由數據處理單元做出測試結論。由于采用在線測試方法，因此這種測試系統(tǒng)結構比較簡單，而且不用將伺服驅動器從裝備中分離出來，使測試更加便利。此類測試系統(tǒng)完全根據伺服驅動器在實際運行中進行測試，因此測試結論更加貼近實際情況。但是由于許多伺服驅動器在制造和裝配方面的特點，此類測試系統(tǒng)中的各種傳感器及信號測量元件的安裝位置很難選擇。而且裝備中的其它部分如果出現故障，也會給伺服驅動器的工作狀態(tài)造成不良影響，最終影響其測試結果。

目前伺服驅動器的功率驅動級普遍采用以高壓IGBT為核心的功率集成模塊（PIM）和智能功率模塊（IPM）技術，也有一部分百瓦量級和低于百瓦的小功率伺服和低壓伺服采用分立元件的IGBT或者功率MOS管做功率變送，這樣做的理由主要是出于成本和安裝結構的考慮，對于低壓伺服而言，往往還會使用m?級導通電阻的低壓大電流功率MOS管，以降低飽和電壓，減少導通損耗，提高驅動器效率，縮小驅動器的總體結構尺寸。

功率集成模塊（PIM）內部多為內部集成了6管或7管IGBT管芯并包括相應的高速續(xù)流保護二極管的三相全橋結構，有的還在內部集成了三相或者單相全橋整流輸入以及用于模塊溫度檢測的熱敏電阻，PIM的著名生產廠家包括德國的Eupec、Semikon、Tyco、Vishay（IR相關業(yè)務）公司，日本的富士公司，以及美國的Microsemi（原APT）公司等。

智能功率模塊（IPM）的內部不經集成了IGBT管芯和續(xù)流二極管，而且也集成了各個IGBT管芯的柵極驅動電路，這正是IPM名稱的由來和區(qū)別于PIM的關鍵所在。最新的600V中小功率IPM還集成了為高端橋臂IGBT管芯的柵極驅動電路提供供電電源的自舉電路和高壓電平轉移和隔離電路。IPM多為直接構成三相全橋的6管結構，個別IPM中包含有三相全橋整流輸入，因此一般需要在相應的伺服應用中添加額外的再生制動IGBT單管及其驅動，以及三相或者單相全橋整流。IPM的著名生產廠家包括日本的三菱和東芝公司，美國的Fairchild等公司。

IPM的使用一般只需為模塊中已經集成的IGBT管芯驅動電路提供合適的隔離供電電源和經高速光耦隔離傳輸的PWM開關控制信號。對于某些IPM而言，高端IGBT管芯驅動電路的隔離供電電源也可以直接使用其自身集成的自舉電路產生，不過這樣做，最好在每一個PWM周期都為自舉電路留出足夠的自舉充電時間，因而會降低PWM周期的有效占空比，今兒降低驅動器的電壓利用率。對于具備高壓電平轉移和隔離電路的IPM而言，PWM開關控制信號原則上可以直接和來自控制電路的邏輯信號互聯(lián)，不過出于安全考慮，尤其是操作者的人身安全，一般還是主張通過高速光耦隔離傳輸，在電氣上實現功率級和控制級的徹底隔離。

由于PIM內部沒有集成IGBT管芯的柵極驅動電路，因此PIM的使用必須配合相應的柵極驅動芯片。主流的柵極驅動芯片有集成高速光耦和柵極驅動電路以及相應的故障保護電路的IGBT柵極驅動光耦，生產廠商包括美國的Avago和Fairchild公司，日本的東芝和夏普公司；也有采用高壓電平轉移和隔離電路以及自舉供電電路的高耐壓柵極驅動芯片，生產廠商包括美國的IR和Fairchild公司；還有一些柵極驅動芯片只包含柵極驅動電路，隔離供電和信號隔離需要另外提供。