为什么Servo drive使用PWM，它是如何工作的？

1.为什么Servo drive使用PWM，它是如何工作的？

伺服驱动器的基本功能是将来自控制器的低功率信号（low-power signals）转换或放大（convert or amplify）为更高功率的信号（higher-power signals），以传递给电机绕组（motor windings）。

伺服驱动器（也被称为伺服放大器servo amplifiers）可以是线性的（linear），也可以是开关型的（switching），这取决于如何从逆变器（inverter）的开关器件（通常是IGBT或MOSFET）向电机输送功率。

线性伺服放大器（linear servo amplifier）通过保持逆变器的晶体管（transistors）在某种程度上始终打开（keep the transistors always on），使电压持续流向电机（voltage flow continuously to the motor）。

相比之下，开关式或PWM（脉宽调制）放大器则是通过开关逆变器的晶体管（switch the transistors on-and-off）来调节流向电机的电压（modulate the voltage）。

那么，为什么使用开关switching或PWM驱动，而不是线性驱动？

主要原因是效率（efficiency）。因为线性驱动器（a linear drive）中的晶体管始终处于开启状态，会产生高功率耗散（high power dissipation），可能产生大量的热量（generate significant heat）。这会降低效率并增加尺寸（increase size），因为驱动器需要一个合适的散热器（heat sink）或冷却机制（cooling mechanism）来保护晶体管。

PWM驱动器以非常高的频率（通常为10至20赫兹）开关晶体管，产生一列方波脉冲（a train of square-wave pulses），模拟出模拟正弦波信号（an analog, sine wave signal）。

脉冲的占空比（duty cycle），开启时间占总时间（开启时间+关闭时间）的比率，决定了脉冲宽度（pulse width），进而决定了输送到电机的电压（voltage）和电流（current）大小。

由于PWM驱动中的晶体管在其线性（linear）或有源区工作（active region），换句话说，要么完全打开（fully on），要么完全关闭（fully off），所以功率耗散（power dissipation）和发热相对较低，特别是与基于载波（carrier-based）的PWM相比。而且，开关更快的PWM效率更高，因为晶体管在其线性区域的时间较少。

但是，快速切换会导致高dv/dt（电压变化），产生不良效果（result in undesirable effects），如干扰其他设备的噪声（noise）和被称为反射波（reflected waves）的过电压（over-voltages），因此需采用适当的过滤方法（proper filtering methods）和电缆屏蔽（cable shielding）。

1.1 PWM驱动的脉冲可以通过以下两种方式。

在传统的方法中，通常被称为基于载波的PWM，PWM脉冲来自逆变器开关频率的三角信号（triangular signal），以及PWM发生器（PWM generator）产生的正弦波信号（a sine wave signal）。

​PWM脉冲的一种更先进的方法（A more advanced method）称为空间矢量调制（space vector modulation），或SVM（或SVPWM）。

这种方法使用三相电压的矢量表示（vector representations of the three-phase voltages），并计算逆变器开关的所需占空比，以合成参考输出电压（synthesize a reference output voltage）。

空间矢量调制能更好地利用母线电压（bus voltage），向电机提供更高的电压（deliver higher voltage），总谐波失真更低（lower total harmonic distortion），扭矩纹波（less torque ripple）更小。

2.什么是空间矢量脉宽调制（SVPWM）？

控制三相感应电机和永磁同步电机（又名BLAC或PMAC电机）的一种常见方法是磁场定向控制（field oriented control），独立地控制定子电流的磁化和转矩产生的分量（magnetizing and torque-producing components）。这使得扭矩产生分量可保持与转子通量正交（torque-producing component keeps orthogonal to the rotor flux），从而最大限度地提高扭矩产生（maximize torque production）。

​空间矢量脉宽调制（SVPWM），用于场向控制（FOC）的最后一步，确定逆变器开关的脉宽调制信号，以产生电机所需的3相电压。

以下是对SVPWM如何运作的总结：

​1.测量电机三相电流中的两相，并将其输入克拉克变换（Clarke transform），将其从三相系统（ia, ib, ic）转换为二维正交系统（two-dimensional orthogonal sytem）（iα, iβ）。请注意，没有必要测量三个电流，因为这三个电流之和必须等于零（0）。第三个电流必须是前两个的负数之和（the negative sum of the first two）。
2. 应用帕克变换（Park transform）将两轴静止系统two-axis stationary system（iα，iβ）转换为两轴旋转系统two-axis rotating system（iq，id），其中q轴电流与转子磁通对齐，d轴电流（产生扭矩的部分）与转子磁通正交。
3. 定子电流磁通和扭矩是独立控制的（controlled independently），通常由PI控制器控制。用于电机的电压Vd和Vq由PI控制器确定。
4. 反Park transform将两轴旋转系统（Vsqref, Vsdref）转换回两轴静止系统（Vsαref, Vsβref）。这些都是定子电压矢量的组成分量，是SVPWM的输入，以产生3相输出电压用于电机。(注意，使用SVPWM就不需要进行反克拉克变换（inverse Clarke transform）来获得三相输出电压）。

场向控制将一个三相系统的时变系统（time-dependent system）转变为一个双坐标（d和q）的时变系统（time-invariant system）。SVPWM用于最后一步，以确定应用于电机的PWM信号。

2.1 SVPWM背后的细节

由六个晶体管（输出端每条腿两个two on each leg of the output）组成三相逆变器输送电压给电机。三个输出端中的每一个都可以处于两种状态之一：顶部晶体管关闭（top transistor closed），底部晶体管打开（bottom transistor open），或反之。因此输出端共有八（23）种状态。这些被称为基极向量（base vectors）。

​八个基础向量绘制在一个六边形的星形图上（a hexagonal star diagram）。每个向量构成星形的一辐（a spoke of the star），相邻向量（adjacent vectors）之间有60度的相位差。两个包含全加（all plus）或全减（all minus）输出的向量（V0和V7）称为空向量（null vectors），绘制在星形的中心（原点origin）。

SVPWM的目标是在PWM期间（TPWM）产生"平均矢量（mean vector）"，等于期望电压矢量（the desired voltage vector）（Vout）。

​Vout的位置在星形图上确定，约束该扇区的基础矢量（例如V1和V3），以及一个空矢量，被用来合成期望的电压。在指定的时间（specified time）（T1）内应用V1，在指定的时间（T3）内应用V3，以及在必要的时间（T0）内应用空矢量（null vector），以提供一个等于Vout的结果矢量（a resultant vector）。

T1、T3和T0的值可以通过以下公式确定：

​然后，Vout的模拟可以表示为：

​与标准的场导向控制（FOC）相比，使用带有空间矢量脉宽调制可以更有效地利用直流电源电压，提供更低的谐波失真（lower harmonic distortion，从而提高功率因数，并减少扭矩纹波。