浅谈IPM PIM 伺服驱动的功率器件和前级控制电路

　　伺服驱动器

 

　　伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

 

　　伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用 ［1］ 。

 

　　在伺服驱动器速度闭环中，电机转子实时速度测量精度对于改善速度环的转速控制动静态特性至关重要。为寻求测量精度与系统成本的平衡，一般采用增量式光电编码器作为测速传感器，与其对应的常用测速方法为M/T测速法。M/T测速法虽然具有一定的测量精度和较宽的测量范围，但这种方法有其固有的缺陷，主要包括：1）测速周期内必须检测到至少一个完整的码盘脉冲，限制了最低可测转速；2）用于测速的2个控制系统定时器开关难以严格保持同步，在速度变化较大的测量场合中无法保证测速精度。因此应用该测速法的传统速度环设计方案难以提高伺服驱动器速度跟随与控制性能 。

 

　　工作原理

 

　　目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，

 

　　可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

 

　　随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。

 

　　伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。

 

　　基本要求

 

　　伺服进给系统的要求

 

　　1、调速范围宽

 

　　2、定位精度高

 

　　3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性

 

　　4、快速响应，无超调

 

　　为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。

 

　　5、低速大转矩，过载能力强

 

　　一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。

 

　　6、可靠性高

 

　　要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。

 

　　对电机的要求

 

　　1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

 

　　2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

 

　　3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。

 

　　4、电机应能承受频繁启、制动和反转。

 

　　测试平台

 

　　目前，伺服驱动器的测试平台主要有以下几种：采用伺服驱动器—电动机互馈对拖的测试平台、采用可调模拟负载的测试平台、采用有执行电机而没有负载的测试平台、采用执行电机拖动固有负载的测试平台和采用在线测试方法的测试平台 。

 

　　1采用伺服驱动器—电动机互馈对拖的测试平台

 

　　这种测试系统由四部分组成，分别是三相PWM整流器、被测伺服驱动器—电动机系统、负载伺服驱动器—电动机系统及上位机，其中两台电动机通过联轴器互相连接。被测电动机工作于电动状态，负载电动机工作于发电状态。被测伺服驱动器—电动机系统工作于速度闭环状态，用来控制整个测试平台的转速，负载伺服驱动器—电动机系统工作于转矩闭环状态，通过控制负载电动机的电流来改变负载电动机的转矩大小，模拟被测电机的负载变化，这样互馈对拖测试平台可以实现速度和转矩的灵活调节，完成各种试验功能测试。上位机用于监控整个系统的运行，根据试验要求向两台伺服驱动器发出控制指令，同时接收它们的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。

 

　　对于这种测试系统，采用高性能的矢量控制方式对被测电动机和负载设备分别进行速度和转矩控制，即可模拟各种负载情况下伺服驱动器的动、静态性能，完成对伺服驱动器的全面而准确的测试。但由于使用了两套伺服驱动器—电动机系统，所以这种测试系统体积庞大，不能满足便携式的要求，而且系统的测量和控制电路也比较复杂、成本也很高。

 

　　2采用可调模拟负载的测试平台

 

　　这种测试系统由三部分组成，分别是被测伺服驱动器—电动机系统、可调模拟负载及上位机。可调模拟负载如磁粉制动器、电力测功机等，它和被测电动机同轴相连。上位机和数据采集卡通过控制可调模拟负载来控制负载转矩，同时采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。对于这种测试系统，通过对可调模拟负载进行控制，也可模拟各种负载情况下伺服驱动器的动、静态性能，完成对伺服驱动器的全面而准确的测试。但这种测试系统体积仍然比较大，不能满足便携式的要求，而且系统的测量和控制电路也比较复杂、成本也很高。

 

　　3采用有执行电机而没有负载的测试平台

 

　　这种测试系统由两部分组成，分别是被测伺服驱动器—电动机系统和上位机。上位机将速度指令信号发送给伺服驱动器，伺服驱动器按照指令开始运行。在运行过程中，上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。由于这种测试系统中电机不带负载，所以与前面两种测试系统相比，该系统体积相对减小，而且系统的测量和控制电路也比较简单，但是这也使得该系统不能模拟伺服驱动器的实际运行情况。通常情况下，此类测试系统仅用于被测系统在空载情况下的转速和角位移的测试，而不能对伺服驱动器进行全面而准确的测试。

 

　　4采用执行电机拖动固有负载的测试平台

 

　　这种测试系统由三部分组成，分别是被测伺服驱动器—电动机系统、系统固有负载及上位机。上位机将速度指令信号发送给伺服驱动器，伺服系统按照指令开始运行。在运行过程中，上位机和数据采集电路采集伺服系统的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示。 

 

　　对于这种测试系统，负载采用被测系统的固有负载，因此测试过程贴近于伺服驱动器的实际工作情况，测试结果比较准确。但由于有的被测系统的固有负载不方便从装备上移走，因此测试过程只能在装备上进行，不是很方便。

 

　　5采用在线测试方法的测试平台

 

　　这种测试系统只有数据采集系统和数据处理单元。数字采集系统将伺服驱动器在装备中的实时运行状态信号进行采集和调理，然后送给数据处理单元供其进行处理和分析，最终由数据处理单元做出测试结论。由于采用在线测试方法，因此这种测试系统结构比较简单，而且不用将伺服驱动器从装备中分离出来，使测试更加便利。此类测试系统完全根据伺服驱动器在实际运行中进行测试，因此测试结论更加贴近实际情况。但是由于许多伺服驱动器在制造和装配方面的特点，此类测试系统中的各种传感器及信号测量元件的安装位置很难选择。而且装备中的其它部分如果出现故障，也会给伺服驱动器的工作状态造成不良影响，最终影响其测试结果。

　　目前伺服驱动器的功率驱动级普遍采用以高压IGBT为核心的功率集成模块（PIM）和智能功率模块（IPM）技术，也有一部分百瓦量级和低于百瓦的小功率伺服和低压伺服采用分立元件的IGBT或者功率MOS管做功率变送，这样做的理由主要是出于成本和安装结构的考虑，对于低压伺服而言，往往还会使用m级导通电阻的低压大电流功率MOS管，以降低饱和电压，减少导通损耗，提高驱动器效率，缩小驱动器的总体结构尺寸。

　　功率集成模块（PIM）内部多为内部集成了6管或7管IGBT管芯并包括相应的高速续流保护二极管的三相全桥结构，有的还在内部集成了三相或者单相全桥整流输入以及用于模块温度检测的热敏电阻，PIM的著名生产厂家包括德国的Eupec、Semikon、Tyco、Vishay（IR相关业务）公司，日本的富士公司，以及美国的Microsemi（原APT）公司等。

　　智能功率模块（IPM）的内部不经集成了IGBT管芯和续流二极管，而且也集成了各个IGBT管芯的栅极驱动电路，这正是IPM名称的由来和区别于PIM的关键所在。最新的600V中小功率IPM还集成了为高端桥臂IGBT管芯的栅极驱动电路提供供电电源的自举电路和高压电平转移和隔离电路。IPM多为直接构成三相全桥的6管结构，个别IPM中包含有三相全桥整流输入，因此一般需要在相应的伺服应用中添加额外的再生制动IGBT单管及其驱动，以及三相或者单相全桥整流。IPM的著名生产厂家包括日本的三菱和东芝公司，美国的Fairchild等公司。

　　IPM的使用一般只需为模块中已经集成的IGBT管芯驱动电路提供合适的隔离供电电源和经高速光耦隔离传输的PWM开关控制信号。对于某些IPM而言，高端IGBT管芯驱动电路的隔离供电电源也可以直接使用其自身集成的自举电路产生，不过这样做，最好在每一个PWM周期都为自举电路留出足够的自举充电时间，因而会降低PWM周期的有效占空比，今儿降低驱动器的电压利用率。对于具备高压电平转移和隔离电路的IPM而言，PWM开关控制信号原则上可以直接和来自控制电路的逻辑信号互联，不过出于安全考虑，尤其是操作者的人身安全，一般还是主张通过高速光耦隔离传输，在电气上实现功率级和控制级的彻底隔离。

　　由于PIM内部没有集成IGBT管芯的栅极驱动电路，因此PIM的使用必须配合相应的栅极驱动芯片。主流的栅极驱动芯片有集成高速光耦和栅极驱动电路以及相应的故障保护电路的IGBT栅极驱动光耦，生产厂商包括美国的Avago和Fairchild公司，日本的东芝和夏普公司；也有采用高压电平转移和隔离电路以及自举供电电路的高耐压栅极驱动芯片，生产厂商包括美国的IR和Fairchild公司；还有一些栅极驱动芯片只包含栅极驱动电路，隔离供电和信号隔离需要另外提供。