為什么Servo drive使用PWM，它是如何工作的？

1.為什么Servo drive使用PWM，它是如何工作的？

伺服驅(qū)動器的基本功能是將來自控制器的低功率信號（low-power signals）轉(zhuǎn)換或放大（convert or amplify）為更高功率的信號（higher-power signals），以傳遞給電機繞組（motor windings）。

伺服驅(qū)動器（也被稱為伺服放大器servo amplifiers）可以是線性的（linear），也可以是開關(guān)型的（switching），這取決于如何從逆變器（inverter）的開關(guān)器件（通常是IGBT或MOSFET）向電機輸送功率。

線性伺服放大器（linear servo amplifier）通過保持逆變器的晶體管（transistors）在某種程度上始終打開（keep the transistors always on），使電壓持續(xù)流向電機（voltage flow continuously to the motor）。

相比之下，開關(guān)式或PWM（脈寬調(diào)制）放大器則是通過開關(guān)逆變器的晶體管（switch the transistors on-and-off）來調(diào)節(jié)流向電機的電壓（modulate the voltage）。

那么，為什么使用開關(guān)switching或PWM驅(qū)動，而不是線性驅(qū)動？

主要原因是效率（efficiency）。因為線性驅(qū)動器（a linear drive）中的晶體管始終處于開啟狀態(tài)，會產(chǎn)生高功率耗散（high power dissipation），可能產(chǎn)生大量的熱量（generate significant heat）。這會降低效率并增加尺寸（increase size），因為驅(qū)動器需要一個合適的散熱器（heat sink）或冷卻機制（cooling mechanism）來保護(hù)晶體管。

PWM驅(qū)動器以非常高的頻率（通常為10至20赫茲）開關(guān)晶體管，產(chǎn)生一列方波脈沖（a train of square-wave pulses），模擬出模擬正弦波信號（an analog, sine wave signal）。

脈沖的占空比（duty cycle），開啟時間占總時間（開啟時間+關(guān)閉時間）的比率，決定了脈沖寬度（pulse width），進(jìn)而決定了輸送到電機的電壓（voltage）和電流（current）大小。

由于PWM驅(qū)動中的晶體管在其線性（linear）或有源區(qū)工作（active region），換句話說，要么完全打開（fully on），要么完全關(guān)閉（fully off），所以功率耗散（power dissipation）和發(fā)熱相對較低，特別是與基于載波（carrier-based）的PWM相比。而且，開關(guān)更快的PWM效率更高，因為晶體管在其線性區(qū)域的時間較少。

但是，快速切換會導(dǎo)致高dv/dt（電壓變化），產(chǎn)生不良效果（result in undesirable effects），如干擾其他設(shè)備的噪聲（noise）和被稱為反射波（reflected waves）的過電壓（over-voltages），因此需采用適當(dāng)?shù)倪^濾方法（proper filtering methods）和電纜屏蔽（cable shielding）。

1.1 PWM驅(qū)動的脈沖可以通過以下兩種方式。

在傳統(tǒng)的方法中，通常被稱為基于載波的PWM，PWM脈沖來自逆變器開關(guān)頻率的三角信號（triangular signal），以及PWM發(fā)生器（PWM generator）產(chǎn)生的正弦波信號（a sine wave signal）。

?PWM脈沖的一種更先進(jìn)的方法（A more advanced method）稱為空間矢量調(diào)制（space vector modulation），或SVM（或SVPWM）。

這種方法使用三相電壓的矢量表示（vector representations of the three-phase voltages），并計算逆變器開關(guān)的所需占空比，以合成參考輸出電壓（synthesize a reference output voltage）。

空間矢量調(diào)制能更好地利用母線電壓（bus voltage），向電機提供更高的電壓（deliver higher voltage），總諧波失真更低（lower total harmonic distortion），扭矩紋波（less torque ripple）更小。

2.什么是空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）？

控制三相感應(yīng)電機和永磁同步電機（又名BLAC或PMAC電機）的一種常見方法是磁場定向控制（field oriented control），獨立地控制定子電流的磁化和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的分量（magnetizing and torque-producing components）。這使得扭矩產(chǎn)生分量可保持與轉(zhuǎn)子通量正交（torque-producing component keeps orthogonal to the rotor flux），從而最大限度地提高扭矩產(chǎn)生（maximize torque production）。

?空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），用于場向控制（FOC）的最后一步，確定逆變器開關(guān)的脈寬調(diào)制信號，以產(chǎn)生電機所需的3相電壓。

以下是對SVPWM如何運作的總結(jié)：

?1.測量電機三相電流中的兩相，并將其輸入克拉克變換（Clarke transform），將其從三相系統(tǒng)（ia, ib, ic）轉(zhuǎn)換為二維正交系統(tǒng)（two-dimensional orthogonal sytem）（iα, iβ）。請注意，沒有必要測量三個電流，因為這三個電流之和必須等于零（0）。第三個電流必須是前兩個的負(fù)數(shù)之和（the negative sum of the first two）。
2. 應(yīng)用帕克變換（Park transform）將兩軸靜止系統(tǒng)two-axis stationary system（iα，iβ）轉(zhuǎn)換為兩軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)two-axis rotating system（iq，id），其中q軸電流與轉(zhuǎn)子磁通對齊，d軸電流（產(chǎn)生扭矩的部分）與轉(zhuǎn)子磁通正交。
3. 定子電流磁通和扭矩是獨立控制的（controlled independently），通常由PI控制器控制。用于電機的電壓Vd和Vq由PI控制器確定。
4. 反Park transform將兩軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)（Vsqref, Vsdref）轉(zhuǎn)換回兩軸靜止系統(tǒng)（Vsαref, Vsβref）。這些都是定子電壓矢量的組成分量，是SVPWM的輸入，以產(chǎn)生3相輸出電壓用于電機。(注意，使用SVPWM就不需要進(jìn)行反克拉克變換（inverse Clarke transform）來獲得三相輸出電壓）。

場向控制將一個三相系統(tǒng)的時變系統(tǒng)（time-dependent system）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€雙坐標(biāo)（d和q）的時變系統(tǒng)（time-invariant system）。SVPWM用于最后一步，以確定應(yīng)用于電機的PWM信號。

2.1 SVPWM背后的細(xì)節(jié)

由六個晶體管（輸出端每條腿兩個two on each leg of the output）組成三相逆變器輸送電壓給電機。三個輸出端中的每一個都可以處于兩種狀態(tài)之一：頂部晶體管關(guān)閉（top transistor closed），底部晶體管打開（bottom transistor open），或反之。因此輸出端共有八（23）種狀態(tài)。這些被稱為基極向量（base vectors）。

?八個基礎(chǔ)向量繪制在一個六邊形的星形圖上（a hexagonal star diagram）。每個向量構(gòu)成星形的一輻（a spoke of the star），相鄰向量（adjacent vectors）之間有60度的相位差。兩個包含全加（all plus）或全減（all minus）輸出的向量（V0和V7）稱為空向量（null vectors），繪制在星形的中心（原點origin）。

SVPWM的目標(biāo)是在PWM期間（TPWM）產(chǎn)生"平均矢量（mean vector）"，等于期望電壓矢量（the desired voltage vector）（Vout）。

?Vout的位置在星形圖上確定，約束該扇區(qū)的基礎(chǔ)矢量（例如V1和V3），以及一個空矢量，被用來合成期望的電壓。在指定的時間（specified time）（T1）內(nèi)應(yīng)用V1，在指定的時間（T3）內(nèi)應(yīng)用V3，以及在必要的時間（T0）內(nèi)應(yīng)用空矢量（null vector），以提供一個等于Vout的結(jié)果矢量（a resultant vector）。

T1、T3和T0的值可以通過以下公式確定：

?然后，Vout的模擬可以表示為：

?與標(biāo)準(zhǔn)的場導(dǎo)向控制（FOC）相比，使用帶有空間矢量脈寬調(diào)制可以更有效地利用直流電源電壓，提供更低的諧波失真（lower harmonic distortion，從而提高功率因數(shù)，并減少扭矩紋波。