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伺服驱动器为什么使用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)在驱动器的变频器部分。

线性伺服放大器通过在一定程度上保持驱动器逆变器部分中的晶体管始终打开,从而允许电压持续流向电机。相反,开关或PWM(脉宽调制)放大器打开和关闭逆变器部分中的晶体管,以调制流向电机的电压。

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驱动器打开和关闭逆变器部分中的晶体管,以向电机提供模拟正弦波电压。
图片来源:M. Pelletier, Yaskawa

PWM驱动器以非常高的频率(通常为10至20 Hz)打开和关闭晶体管,产生一系列方波脉冲,模拟模拟正弦波信号。

脉冲的占空比(接通时间与总开关时间之比(接通时间+断开时间))决定了脉冲宽度,而脉冲宽度又决定了输送给电机的电压和电流量。

PWM占空比
PWM波形的占空比是指接通(或高)时间与总开关时间之比。
图片来源:Performance Motion Devices

由于PWM驱动器中的晶体管在其线性或有源区域工作——换句话说,它们要么完全打开,要么完全关闭——功耗和发热相对较低,尤其是与基于载波的PWM相比。PWM开关时间越快,效率越高,因为晶体管在线性区域花费的时间越少。但是,这种快速切换会导致高dv/dt(电压变化),这可能会导致不良影响,例如干扰其他设备的噪声和过电压(称为反射波,所以适当的过滤应实施方法和电缆屏蔽。


PWM驱动的脉冲可以通过两种方式之一产生。在传统方法中,通常称为基于载波的PWM,PWM脉冲是使用表示逆变器开关频率的三角形信号以及PWM发生器产生的正弦波信号产生的。

PWM发生器信号
对于基于载波的PWM,调制的PWM脉冲(底部)由逆变器开关频率的三角形信号和PWM发生器产生的正弦波信号产生。
图片来源:罗克韦尔自动化

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。(本文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。


根据以下文件提交:运动控制技巧


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