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为什么伺服驱动器使用PWM,它是如何工作的?

通过丹尼尔•柯林斯|2021年9月13日

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伺服驱动器的基本功能是将控制器的低功率信号转换或放大为更高功率的信号,然后传递给电机绕组。伺服驱动器(也称为伺服放大器)可以是线性或开关类型,这取决于从开关设备向电机提供的功率(通常情况下)igbt或场效应管)在驱动器的逆变器部分。

一个线性伺服放大器允许电压连续流动到电机通过保持晶体管在逆变部分的驱动总是在一定程度上。相比之下,开关放大器,或PWM(脉宽调制),将逆变器部分的晶体管开关,以调节流向电机的电压。

那么,为什么要使用开关或PWM驱动而不是线性驱动呢?最主要的原因是效率。因为线性驱动中的晶体管总是开着的,它们经历了高的功率损耗,反过来,可以产生显著的热量。这降低了效率,增大了尺寸,因为驱动器需要一个合适的散热片或冷却机制来保护晶体管。

PWM驱动示意图
PWM驱动开关逆变部分的晶体管开关,为电机提供模拟的正弦波电压。
图片来源:M. Pelletier, Yaskawa

PWM驱动以非常高的频率(通常是10到20赫兹)开关晶体管,产生一列方波脉冲,模拟模拟的正弦波信号。

脉冲的占空比——接通时间与总开关时间(接通时间+断开时间)的比值——决定了脉冲宽度,而脉冲宽度又决定了有多少电压和电流被输送到电机。

PWM占空比
PWM波形的占空比是指打开(或高)时间与总开关时间的比值。
图片来源:Performance Motion Devices

因为PWM驱动中的晶体管是在它们的线性或有源区域中工作的,换句话说,它们要么是完全开着,要么是完全关着的,功率损耗和热量产生相对较低,特别是与基于载波的PWM相比。由于晶体管在线性区域内的时间更短,因此PWM的开关时间更快,提高了效率。然而,这种快速开关会引起高dv/dt(电压变化),这可能导致不良的影响,如干扰其他设备的噪声和过电压反射波,所以适当的过滤方法和电缆屏蔽应实施。


PWM驱动的脉冲可以用两种方法之一产生。在传统的PWM方法中,通常称为基于载波的PWM, PWM脉冲是利用代表逆变器开关频率的三角信号和PWM发生器产生的正弦波信号来产生的。

PWM信号发生器
基于载波的PWM,由逆变器的开关频率三角信号和PWM发生器产生的正弦波信号组成调制的PWM脉冲(下图)。
图片来源:罗克韦尔自动化公司

创建PWM脉冲的一种更先进的方法称为空间矢量调制,或SVM(有时也称为空间矢量脉宽调制,或SVPWM)。该方法利用三相电压的矢量表示,计算逆变开关所需的占空比,从而合成一个参考输出电压。(这篇文章详细介绍了空间矢量调制的原理和工作原理。空间矢量调制可以更好地利用母线电压,以更低的总谐波失真和更小的转矩脉动给电机提供更高的电压。


用于交流感应电机的变频驱动器(VFDs)也使用PWM方法将电压传递给电机。在这些应用中,驱动器可以控制脉冲的占空比和频率,从而控制电压和电机速度。


了下:运动控制技巧


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