5.1 引言伺服驱动器的核心作用伺服驱动器是连接控制器与伺服电机的桥梁其核心功能是将直流电源转换为频率、幅值和相位可调的三相交流电实现对电机的精确控制。现代伺服驱动器主要采用三相电压源逆变器Voltage Source Inverter, VSI结构通过脉宽调制PWM技术控制功率开关器件的通断生成所需的三相电压。5.2 三相电压源逆变器VSI的数学模型5.2.1 基本拓扑结构三相两电平VSI是伺服驱动器最常用的拓扑其基本结构如下三相两电平电压源逆变器拓扑 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 直流母线正Vdc │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │ S1 │ │ S3 │ │ S5 │ │ │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │ │ │ │ │ │ │ U相输出──┼──────────┼──────────┼──→ 连接到电机U相 │ │ │ │ │ │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │ S4 │ │ S6 │ │ S2 │ │ │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │ │ │ │ │ │ │ 直流母线负0V │ │ │ │ 开关状态定义 │ │ S1、S3、S5上桥臂开关导通时输出高电平 │ │ S4、S6、S2下桥臂开关导通时输出低电平 │ │ 同一桥臂上下开关不能同时导通防止短路 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.2.2 开关状态与输出电压定义开关函数 Sx(x a, b, c)Sx1上桥臂开通下桥臂关断Sx0上桥臂关断下桥臂开通三相输出电压相对于直流母线中点N为vaNvbNvcN2Vdc2Sa−12Sb−12Sc−1电机相电压相对于电机中性点n为vanvbnvcn3Vdc2−1−1−12−1−1−12SaSbSc5.2.3 基本电压矢量三相逆变器共有8种开关状态对应8个基本电压矢量基本电压矢量在α-β平面的分布 V2(110) V1(100) \ / \ / \ / \ / \ / \ / V3(010) ------------O----------- V6(101) / \ / \ / \ / \ / \ / \ V4(011) V5(001) V0(000) 和 V7(111) 为零矢量在α-β坐标系中这些矢量构成一个正六边形相邻矢量夹角60°零矢量位于原点。5.3 空间矢量脉宽调制SVPWM原理SVPWM是基于电压空间矢量概念的调制技术通过基本电压矢量的合成实现任意方向和大小的电压矢量输出。5.3.1 SVPWM的基本思想SVPWM核心思想示意图 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ α-β平面上的电压矢量合成 │ │ │ │ 参考电压矢量V_ref │ │ ↗ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ 用相邻两个基本矢量V1和V2合成V_ref │ │ ╱ V_ref (T1/T_s)·V1 (T2/T_s)·V2 │ │ ╱ (T0/T_s)·V0 │ │○──────────────────────────────────────────────────────→│ │ │ │ 其中T_s为开关周期T1、T2为基本矢量作用时间 │ │ T0为零矢量作用时间 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.3.2 SVPWM算法步骤参考电压矢量扇区判断通过参考电压矢量在α-β平面的位置确定其所在扇区相邻矢量作用时间计算根据伏秒平衡原理计算两个相邻基本矢量的作用时间开关序列生成设计合理的开关顺序通常采用七段式SVPWM以减少开关次数PWM信号生成根据开关序列和时间分配生成实际的PWM驱动信号5.3.3 SVPWM的完整处理流程SVPWM调制算法完整流程 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 输入参考电压v_α*, v_β*直流母线电压V_dc │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤1扇区判断 │ │ ┌─ 计算中间变量 │ │ │ U1 v_β* │ │ │ U2 √3·v_α* - v_β* │ │ │ U3 -√3·v_α* - v_β* │ │ └─ 根据符号判断扇区号N │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤2计算相邻矢量作用时间 │ │ ┌─ 计算中间变量 │ │ │ X √3·T_s·v_β*/V_dc │ │ │ Y √3·T_s·(√3·v_α* v_β*)/(2V_dc) │ │ │ Z √3·T_s·(-√3·v_α* v_β*)/(2V_dc) │ │ └─ 根据扇区号选择T1、T2 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤3过调制处理与时间分配 │ │ ┌─ 若T1T2 T_s则等比例缩小 │ │ │ T0 T_s - T1 - T2 (零矢量时间) │ │ └─ 时间分配T_a, T_b, T_c │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤4生成开关序列与PWM信号 │ │ ┌─ 根据扇区号选择预定义的开关序列 │ │ │ 典型七段式序列000→100→110→111→110→100→000 │ │ └─ 计算比较值生成三相PWM信号 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.4 其他PWM调制技术对比5.4.1 正弦PWMSPWMSPWM原理示意图 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 正弦调制波与三角载波比较生成PWM │ │ │ │ 幅值 ↑ │ │ │ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ │ │ │ / \ / \ / \ │ │ │ / \ / \ / \ │ │ │ / / / \ │ │ │/ / / \ \ │ │ 0────┼/────────/────────/──────────\─────────→ 时间 │ │ │ / / / \ │ │ │ / / / \ │ │ │ / / / \ │ │ │ / / / \ │ │ -幅值↓ / / / \ │ │ │ │ 输出高电平时段对应正弦波大于三角波的时段 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘特点实现简单直观直流电压利用率低理论最大0.866谐波含量相对较高5.4.2 三次谐波注入PWM在正弦调制波中加入三次谐波降低调制波峰值提高直流电压利用率。特点直流电压利用率可提高至1.0需要额外的谐波生成电路适用于三相三线制系统5.4.3 不连续PWMDPWM在部分周期内将某相钳位到正或负母线减少开关次数。特点开关损耗降低约30%电流谐波增加适用于大功率场合5.5 逆变器的非理想特性5.5.1 死区时间效应为防止上下桥臂直通必须在开关信号中插入死区时间但这会引入非线性失真。死区时间引起的电压误差 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 死区时间对输出电压的影响 │ │ │ │ 理想PWM信号 ┌───┐ ┌───┐ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 实际PWM信号 ┌┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌┐ │ │ ││ │ │ │ │ ││ │ │ ││ │ │ │ │ ││ │ │ 时间 ←─┴┴─┴──────┴──┴──────┴─┴┴─→ │ │ ↑td ↑td ↑td ↑td │ │ 死区时间导致脉冲宽度损失 │ │ │ │ 影响1. 输出电压幅值降低 │ │ 2. 引入低次谐波 │ │ 3. 电流过零点畸变 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.5.2 开关器件的非线性导通压降IGBT和二极管的正向导通压降开关延迟开通和关断过程的延时开关损耗与开关频率和电流相关结温影响温度变化导致参数漂移5.5.3 直流母线电压波动由于直流母线电容有限在负载突变时会引起母线电压波动影响输出电压精度。5.6 伺服驱动器的完整控制结构5.6.1 硬件结构框图伺服驱动器硬件系统结构 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 主控制板 │ │ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ DSP/微处理器 │ │ │ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │ │ │ │ │ 控制算法位置/速度/电流环 │ │ │ │ │ │ PWM生成模块 │ │ │ │ │ └─────────────────────────────────────┘ │ │ │ │ 通信接口EtherCAT/CANopen/脉冲方向 │ │ │ └──────────────┬──────────────────────────────┘ │ │ │ PWM信号 │ ├─────────────────┼──────────────────────────────────────┤ │ │ 驱动板 │ │ ┌──────────────▼──────────────────────────────┐ │ │ │ 隔离驱动电路 │ │ │ │ 故障保护电路过流、过压、过温 │ │ │ └──────────────┬──────────────────────────────┘ │ │ │ 驱动信号 │ ├─────────────────┼──────────────────────────────────────┤ │ │ 功率板 │ │ ┌──────────────▼──────────────────────────────┐ │ │ │ IGBT/IPM功率模块 │ │ │ │ 直流母线电容 │ │ │ │ 电流/电压/温度采样电路 │ │ │ └──────────────┬──────────────────────────────┘ │ │ │ 三相输出 │ │ └─────────────────→ 伺服电机 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.6.2 软件控制流程伺服驱动器软件控制流程 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 控制周期开始定时器中断 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤1信号采集与处理 │ │ ┌─ 读取编码器位置/速度 │ │ ├─ 采样三相电流Clark变换得到i_α, i_β │ │ ├─ 采样直流母线电压 │ │ └─ 故障状态检测 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤2控制算法执行 │ │ ┌─ 位置环计算速度指令如果需要 │ │ ├─ 速度环计算电流指令 │ │ ├─ 电流环计算电压指令 │ │ └─ 前馈补偿与解耦控制 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤3坐标变换与PWM生成 │ │ ┌─ 逆Park变换v_d*,v_q* → v_α*,v_β* │ │ ├─ SVPWM调制v_α*,v_β* → 占空比 │ │ ├─ 死区补偿 │ │ └─ 更新PWM比较寄存器 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤4通信与监控 │ │ ┌─ 处理通信命令设定值、参数等 │ │ ├─ 更新状态信息 │ │ └─ 故障处理与保护 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤5等待下一个控制周期 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.7 逆变器-电机系统的完整数学模型5.7.1 考虑PWM的离散化模型在实际数字控制中PWM过程是离散的每个开关周期更新一次电压指令。PWM离散化模型 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ PWM更新的时序关系 │ │ │ │ 控制周期T_s│───T_s───│───T_s───│───T_s───│ │ │ ↑ ↑ ↑ ↑ │ │ 控制时刻 控制时刻 控制时刻 控制时刻 │ │ │ │ PWM更新 ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │ 新 │ │ 新 │ │ 新 │ │ 新 │ │ │ │PWM值│ │PWM值│ │PWM值│ │PWM值│ │ │ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ │ │ │ │ │ │ │ │ PWM输出 └────┐ └────┐ └────┐ └────┐ │ │ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ │ │ │ │ 特点控制算法计算与PWM更新之间存在一个PWM周期的延迟│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.7.2 考虑非理想因素的完整模型考虑死区、开关延迟、导通压降等非理想因素逆变器的输出电压可表示为voutvideal−Δvdeadtime−Δvdrop−Δvdelay其中videal理想输出电压Δvdeadtime死区时间引起的电压损失Δvdrop开关器件导通压降Δvdelay开关延迟引起的误差5.8 总结本部分详细阐述了伺服驱动器逆变器的数学模型与PWM调制原理5.8.1 核心要点总结逆变器拓扑三相两电平VSI是现代伺服驱动器的主流结构调制技术SVPWM因其高电压利用率、低谐波等优点成为首选非理想特性死区效应、开关非线性等实际因素必须考虑系统集成逆变器需与控制器、电机紧密配合构成完整系统5.8.2 技术发展趋势高频化开关频率向更高发展20kHz以上改善动态性能集成化智能功率模块IPM的广泛应用数字化全数字控制高级控制算法的实现多功能化集成安全功能、故障诊断、能效优化等5.8.3 仿真建模建议在建立伺服驱动器仿真模型时应根据仿真目的选择适当的模型精度系统级仿真可采用理想开关模型关注控制算法性能损耗分析需详细建模开关过程和导通特性EMI预测需要精确的开关瞬态模型逆变器作为伺服系统的功率执行机构其性能直接影响整个系统的动态响应、效率和可靠性。精确的逆变器模型是伺服系统仿真不可或缺的一部分。在接下来我们将探讨机械传动系统的建模包括单惯量、双惯量与多惯量系统这是连接电机与负载的关键环节。
伺服电机仿真（5）：伺服驱动器（逆变器）的数学模型与PWM调制原理
5.1 引言伺服驱动器的核心作用伺服驱动器是连接控制器与伺服电机的桥梁其核心功能是将直流电源转换为频率、幅值和相位可调的三相交流电实现对电机的精确控制。现代伺服驱动器主要采用三相电压源逆变器Voltage Source Inverter, VSI结构通过脉宽调制PWM技术控制功率开关器件的通断生成所需的三相电压。5.2 三相电压源逆变器VSI的数学模型5.2.1 基本拓扑结构三相两电平VSI是伺服驱动器最常用的拓扑其基本结构如下三相两电平电压源逆变器拓扑 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 直流母线正Vdc │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │ S1 │ │ S3 │ │ S5 │ │ │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │ │ │ │ │ │ │ U相输出──┼──────────┼──────────┼──→ 连接到电机U相 │ │ │ │ │ │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │ S4 │ │ S6 │ │ S2 │ │ │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │ │ │ │ │ │ │ 直流母线负0V │ │ │ │ 开关状态定义 │ │ S1、S3、S5上桥臂开关导通时输出高电平 │ │ S4、S6、S2下桥臂开关导通时输出低电平 │ │ 同一桥臂上下开关不能同时导通防止短路 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.2.2 开关状态与输出电压定义开关函数 Sx(x a, b, c)Sx1上桥臂开通下桥臂关断Sx0上桥臂关断下桥臂开通三相输出电压相对于直流母线中点N为vaNvbNvcN2Vdc2Sa−12Sb−12Sc−1电机相电压相对于电机中性点n为vanvbnvcn3Vdc2−1−1−12−1−1−12SaSbSc5.2.3 基本电压矢量三相逆变器共有8种开关状态对应8个基本电压矢量基本电压矢量在α-β平面的分布 V2(110) V1(100) \ / \ / \ / \ / \ / \ / V3(010) ------------O----------- V6(101) / \ / \ / \ / \ / \ / \ V4(011) V5(001) V0(000) 和 V7(111) 为零矢量在α-β坐标系中这些矢量构成一个正六边形相邻矢量夹角60°零矢量位于原点。5.3 空间矢量脉宽调制SVPWM原理SVPWM是基于电压空间矢量概念的调制技术通过基本电压矢量的合成实现任意方向和大小的电压矢量输出。5.3.1 SVPWM的基本思想SVPWM核心思想示意图 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ α-β平面上的电压矢量合成 │ │ │ │ 参考电压矢量V_ref │ │ ↗ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ │ │ ╱ 用相邻两个基本矢量V1和V2合成V_ref │ │ ╱ V_ref (T1/T_s)·V1 (T2/T_s)·V2 │ │ ╱ (T0/T_s)·V0 │ │○──────────────────────────────────────────────────────→│ │ │ │ 其中T_s为开关周期T1、T2为基本矢量作用时间 │ │ T0为零矢量作用时间 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.3.2 SVPWM算法步骤参考电压矢量扇区判断通过参考电压矢量在α-β平面的位置确定其所在扇区相邻矢量作用时间计算根据伏秒平衡原理计算两个相邻基本矢量的作用时间开关序列生成设计合理的开关顺序通常采用七段式SVPWM以减少开关次数PWM信号生成根据开关序列和时间分配生成实际的PWM驱动信号5.3.3 SVPWM的完整处理流程SVPWM调制算法完整流程 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 输入参考电压v_α*, v_β*直流母线电压V_dc │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤1扇区判断 │ │ ┌─ 计算中间变量 │ │ │ U1 v_β* │ │ │ U2 √3·v_α* - v_β* │ │ │ U3 -√3·v_α* - v_β* │ │ └─ 根据符号判断扇区号N │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤2计算相邻矢量作用时间 │ │ ┌─ 计算中间变量 │ │ │ X √3·T_s·v_β*/V_dc │ │ │ Y √3·T_s·(√3·v_α* v_β*)/(2V_dc) │ │ │ Z √3·T_s·(-√3·v_α* v_β*)/(2V_dc) │ │ └─ 根据扇区号选择T1、T2 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤3过调制处理与时间分配 │ │ ┌─ 若T1T2 T_s则等比例缩小 │ │ │ T0 T_s - T1 - T2 (零矢量时间) │ │ └─ 时间分配T_a, T_b, T_c │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤4生成开关序列与PWM信号 │ │ ┌─ 根据扇区号选择预定义的开关序列 │ │ │ 典型七段式序列000→100→110→111→110→100→000 │ │ └─ 计算比较值生成三相PWM信号 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.4 其他PWM调制技术对比5.4.1 正弦PWMSPWMSPWM原理示意图 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 正弦调制波与三角载波比较生成PWM │ │ │ │ 幅值 ↑ │ │ │ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ │ │ │ / \ / \ / \ │ │ │ / \ / \ / \ │ │ │ / / / \ │ │ │/ / / \ \ │ │ 0────┼/────────/────────/──────────\─────────→ 时间 │ │ │ / / / \ │ │ │ / / / \ │ │ │ / / / \ │ │ │ / / / \ │ │ -幅值↓ / / / \ │ │ │ │ 输出高电平时段对应正弦波大于三角波的时段 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘特点实现简单直观直流电压利用率低理论最大0.866谐波含量相对较高5.4.2 三次谐波注入PWM在正弦调制波中加入三次谐波降低调制波峰值提高直流电压利用率。特点直流电压利用率可提高至1.0需要额外的谐波生成电路适用于三相三线制系统5.4.3 不连续PWMDPWM在部分周期内将某相钳位到正或负母线减少开关次数。特点开关损耗降低约30%电流谐波增加适用于大功率场合5.5 逆变器的非理想特性5.5.1 死区时间效应为防止上下桥臂直通必须在开关信号中插入死区时间但这会引入非线性失真。死区时间引起的电压误差 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 死区时间对输出电压的影响 │ │ │ │ 理想PWM信号 ┌───┐ ┌───┐ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 实际PWM信号 ┌┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌┐ │ │ ││ │ │ │ │ ││ │ │ ││ │ │ │ │ ││ │ │ 时间 ←─┴┴─┴──────┴──┴──────┴─┴┴─→ │ │ ↑td ↑td ↑td ↑td │ │ 死区时间导致脉冲宽度损失 │ │ │ │ 影响1. 输出电压幅值降低 │ │ 2. 引入低次谐波 │ │ 3. 电流过零点畸变 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.5.2 开关器件的非线性导通压降IGBT和二极管的正向导通压降开关延迟开通和关断过程的延时开关损耗与开关频率和电流相关结温影响温度变化导致参数漂移5.5.3 直流母线电压波动由于直流母线电容有限在负载突变时会引起母线电压波动影响输出电压精度。5.6 伺服驱动器的完整控制结构5.6.1 硬件结构框图伺服驱动器硬件系统结构 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 主控制板 │ │ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ DSP/微处理器 │ │ │ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │ │ │ │ │ 控制算法位置/速度/电流环 │ │ │ │ │ │ PWM生成模块 │ │ │ │ │ └─────────────────────────────────────┘ │ │ │ │ 通信接口EtherCAT/CANopen/脉冲方向 │ │ │ └──────────────┬──────────────────────────────┘ │ │ │ PWM信号 │ ├─────────────────┼──────────────────────────────────────┤ │ │ 驱动板 │ │ ┌──────────────▼──────────────────────────────┐ │ │ │ 隔离驱动电路 │ │ │ │ 故障保护电路过流、过压、过温 │ │ │ └──────────────┬──────────────────────────────┘ │ │ │ 驱动信号 │ ├─────────────────┼──────────────────────────────────────┤ │ │ 功率板 │ │ ┌──────────────▼──────────────────────────────┐ │ │ │ IGBT/IPM功率模块 │ │ │ │ 直流母线电容 │ │ │ │ 电流/电压/温度采样电路 │ │ │ └──────────────┬──────────────────────────────┘ │ │ │ 三相输出 │ │ └─────────────────→ 伺服电机 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.6.2 软件控制流程伺服驱动器软件控制流程 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 控制周期开始定时器中断 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤1信号采集与处理 │ │ ┌─ 读取编码器位置/速度 │ │ ├─ 采样三相电流Clark变换得到i_α, i_β │ │ ├─ 采样直流母线电压 │ │ └─ 故障状态检测 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤2控制算法执行 │ │ ┌─ 位置环计算速度指令如果需要 │ │ ├─ 速度环计算电流指令 │ │ ├─ 电流环计算电压指令 │ │ └─ 前馈补偿与解耦控制 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤3坐标变换与PWM生成 │ │ ┌─ 逆Park变换v_d*,v_q* → v_α*,v_β* │ │ ├─ SVPWM调制v_α*,v_β* → 占空比 │ │ ├─ 死区补偿 │ │ └─ 更新PWM比较寄存器 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤4通信与监控 │ │ ┌─ 处理通信命令设定值、参数等 │ │ ├─ 更新状态信息 │ │ └─ 故障处理与保护 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 步骤5等待下一个控制周期 │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.7 逆变器-电机系统的完整数学模型5.7.1 考虑PWM的离散化模型在实际数字控制中PWM过程是离散的每个开关周期更新一次电压指令。PWM离散化模型 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ PWM更新的时序关系 │ │ │ │ 控制周期T_s│───T_s───│───T_s───│───T_s───│ │ │ ↑ ↑ ↑ ↑ │ │ 控制时刻 控制时刻 控制时刻 控制时刻 │ │ │ │ PWM更新 ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │ 新 │ │ 新 │ │ 新 │ │ 新 │ │ │ │PWM值│ │PWM值│ │PWM值│ │PWM值│ │ │ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ │ │ │ │ │ │ │ │ PWM输出 └────┐ └────┐ └────┐ └────┐ │ │ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ │ │ │ │ 特点控制算法计算与PWM更新之间存在一个PWM周期的延迟│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘5.7.2 考虑非理想因素的完整模型考虑死区、开关延迟、导通压降等非理想因素逆变器的输出电压可表示为voutvideal−Δvdeadtime−Δvdrop−Δvdelay其中videal理想输出电压Δvdeadtime死区时间引起的电压损失Δvdrop开关器件导通压降Δvdelay开关延迟引起的误差5.8 总结本部分详细阐述了伺服驱动器逆变器的数学模型与PWM调制原理5.8.1 核心要点总结逆变器拓扑三相两电平VSI是现代伺服驱动器的主流结构调制技术SVPWM因其高电压利用率、低谐波等优点成为首选非理想特性死区效应、开关非线性等实际因素必须考虑系统集成逆变器需与控制器、电机紧密配合构成完整系统5.8.2 技术发展趋势高频化开关频率向更高发展20kHz以上改善动态性能集成化智能功率模块IPM的广泛应用数字化全数字控制高级控制算法的实现多功能化集成安全功能、故障诊断、能效优化等5.8.3 仿真建模建议在建立伺服驱动器仿真模型时应根据仿真目的选择适当的模型精度系统级仿真可采用理想开关模型关注控制算法性能损耗分析需详细建模开关过程和导通特性EMI预测需要精确的开关瞬态模型逆变器作为伺服系统的功率执行机构其性能直接影响整个系统的动态响应、效率和可靠性。精确的逆变器模型是伺服系统仿真不可或缺的一部分。在接下来我们将探讨机械传动系统的建模包括单惯量、双惯量与多惯量系统这是连接电机与负载的关键环节。
