淺談IPM PIM 伺服驅(qū)動(dòng)的功率器件和前級控制電路

隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器使用、伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來越多工控技術(shù)服務(wù)商對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

伺服驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

基本要求

伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求

1、調(diào)速范圍寬

2、定位精度高

3、有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性

4、快速響應(yīng)，無超調(diào)

為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。

5、低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng)

一般來說，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。

6、可靠性高

要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。

對電機(jī)的要求

1、從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。

2、電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。

3、為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。

4、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

測試平臺

目前，伺服驅(qū)動(dòng)器的測試平臺主要有以下幾種：采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對拖的測試平臺、采用可調(diào)模擬負(fù)載的測試平臺、采用有執(zhí)行電機(jī)而沒有負(fù)載的測試平臺、采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測試平臺和采用在線測試方法的測試平臺 。

1采用伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)互饋對拖的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由四部分組成，分別是三相PWM整流器、被測伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及上位機(jī)，其中兩臺電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器互相連接。被測電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。被測伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來控制整個(gè)測試平臺的轉(zhuǎn)速，負(fù)載伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的電流來改變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，模擬被測電機(jī)的負(fù)載變化，這樣互饋對拖測試平臺可以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)節(jié)，完成各種試驗(yàn)功能測試。上位機(jī)用于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，根據(jù)試驗(yàn)要求向兩臺伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令，同時(shí)接收它們的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。

對于這種測試系統(tǒng)，采用高性能的矢量控制方式對被測電動(dòng)機(jī)和負(fù)載設(shè)備分別進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)矩控制，即可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能，完成對伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測試。但由于使用了兩套伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，所以這種測試系統(tǒng)體積龐大，不能滿足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。

2采用可調(diào)模擬負(fù)載的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、可調(diào)模擬負(fù)載及上位機(jī)。可調(diào)模擬負(fù)載如磁粉制動(dòng)器、電力測功機(jī)等，它和被測電動(dòng)機(jī)同軸相連。上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡通過控制可調(diào)模擬負(fù)載來控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。對于這種測試系統(tǒng)，通過對可調(diào)模擬負(fù)載進(jìn)行控制，也可模擬各種負(fù)載情況下伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)、靜態(tài)性能，完成對伺服驅(qū)動(dòng)器的全面而準(zhǔn)確的測試。但這種測試系統(tǒng)體積仍然比較大，不能滿足便攜式的要求，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較復(fù)雜、成本也很高。

3采用有執(zhí)行電機(jī)而沒有負(fù)載的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由兩部分組成，分別是被測伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器按照指令開始運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。由于這種測試系統(tǒng)中電機(jī)不帶負(fù)載，所以與前面兩種測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)體積相對減小，而且系統(tǒng)的測量和控制電路也比較簡單，但是這也使得該系統(tǒng)不能模擬伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)行情況。通常情況下，此類測試系統(tǒng)僅用于被測系統(tǒng)在空載情況下的轉(zhuǎn)速和角位移的測試，而不能對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的測試。

4采用執(zhí)行電機(jī)拖動(dòng)固有負(fù)載的測試平臺

這種測試系統(tǒng)由三部分組成，分別是被測伺服驅(qū)動(dòng)器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)固有負(fù)載及上位機(jī)。上位機(jī)將速度指令信號發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服系統(tǒng)按照指令開始運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集電路采集伺服系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。

對于這種測試系統(tǒng)，負(fù)載采用被測系統(tǒng)的固有負(fù)載，因此測試過程貼近于伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際工作情況，測試結(jié)果比較準(zhǔn)確。但由于有的被測系統(tǒng)的固有負(fù)載不方便從裝備上移走，因此測試過程只能在裝備上進(jìn)行，不是很方便。

5采用在線測試方法的測試平臺

這種測試系統(tǒng)只有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)字采集系統(tǒng)將伺服驅(qū)動(dòng)器在裝備中的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信號進(jìn)行采集和調(diào)理，然后送給數(shù)據(jù)處理單元供其進(jìn)行處理和分析，最終由數(shù)據(jù)處理單元做出測試結(jié)論。由于采用在線測試方法，因此這種測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，而且不用將伺服驅(qū)動(dòng)器從裝備中分離出來，使測試更加便利。此類測試系統(tǒng)完全根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行測試，因此測試結(jié)論更加貼近實(shí)際情況。但是由于許多伺服驅(qū)動(dòng)器在制造和裝配方面的特點(diǎn)，此類測試系統(tǒng)中的各種傳感器及信號測量元件的安裝位置很難選擇。而且裝備中的其它部分如果出現(xiàn)故障，也會給伺服驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)造成不良影響，最終影響其測試結(jié)果。

目前伺服驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)級普遍采用以高壓IGBT為核心的功率集成模塊（PIM）和智能功率模塊（IPM）技術(shù)，也有一部分百瓦量級和低于百瓦的小功率伺服和低壓伺服采用分立元件的IGBT或者功率MOS管做功率變送，這樣做的理由主要是出于成本和安裝結(jié)構(gòu)的考慮，對于低壓伺服而言，往往還會使用m?級導(dǎo)通電阻的低壓大電流功率MOS管，以降低飽和電壓，減少導(dǎo)通損耗，提高驅(qū)動(dòng)器效率，縮小驅(qū)動(dòng)器的總體結(jié)構(gòu)尺寸。

功率集成模塊（PIM）內(nèi)部多為內(nèi)部集成了6管或7管IGBT管芯并包括相應(yīng)的高速續(xù)流保護(hù)二極管的三相全橋結(jié)構(gòu)，有的還在內(nèi)部集成了三相或者單相全橋整流輸入以及用于模塊溫度檢測的熱敏電阻，PIM的著名生產(chǎn)廠家包括德國的Eupec、Semikon、Tyco、Vishay（IR相關(guān)業(yè)務(wù)）公司，日本的富士公司，以及美國的Microsemi（原APT）公司等。

智能功率模塊（IPM）的內(nèi)部不經(jīng)集成了IGBT管芯和續(xù)流二極管，而且也集成了各個(gè)IGBT管芯的柵極驅(qū)動(dòng)電路，這正是IPM名稱的由來和區(qū)別于PIM的關(guān)鍵所在。最新的600V中小功率IPM還集成了為高端橋臂IGBT管芯的柵極驅(qū)動(dòng)電路提供供電電源的自舉電路和高壓電平轉(zhuǎn)移和隔離電路。IPM多為直接構(gòu)成三相全橋的6管結(jié)構(gòu)，個(gè)別IPM中包含有三相全橋整流輸入，因此一般需要在相應(yīng)的伺服應(yīng)用中添加額外的再生制動(dòng)IGBT單管及其驅(qū)動(dòng)，以及三相或者單相全橋整流。IPM的著名生產(chǎn)廠家包括日本的三菱和東芝公司，美國的Fairchild等公司。

IPM的使用一般只需為模塊中已經(jīng)集成的IGBT管芯驅(qū)動(dòng)電路提供合適的隔離供電電源和經(jīng)高速光耦隔離傳輸?shù)腜WM開關(guān)控制信號。對于某些IPM而言，高端IGBT管芯驅(qū)動(dòng)電路的隔離供電電源也可以直接使用其自身集成的自舉電路產(chǎn)生，不過這樣做，最好在每一個(gè)PWM周期都為自舉電路留出足夠的自舉充電時(shí)間，因而會降低PWM周期的有效占空比，今兒降低驅(qū)動(dòng)器的電壓利用率。對于具備高壓電平轉(zhuǎn)移和隔離電路的IPM而言，PWM開關(guān)控制信號原則上可以直接和來自控制電路的邏輯信號互聯(lián)，不過出于安全考慮，尤其是操作者的人身安全，一般還是主張通過高速光耦隔離傳輸，在電氣上實(shí)現(xiàn)功率級和控制級的徹底隔離。

由于PIM內(nèi)部沒有集成IGBT管芯的柵極驅(qū)動(dòng)電路，因此PIM的使用必須配合相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)芯片。主流的柵極驅(qū)動(dòng)芯片有集成高速光耦和柵極驅(qū)動(dòng)電路以及相應(yīng)的故障保護(hù)電路的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)光耦，生產(chǎn)廠商包括美國的Avago和Fairchild公司，日本的東芝和夏普公司；也有采用高壓電平轉(zhuǎn)移和隔離電路以及自舉供電電路的高耐壓柵極驅(qū)動(dòng)芯片，生產(chǎn)廠商包括美國的IR和Fairchild公司；還有一些柵極驅(qū)動(dòng)芯片只包含柵極驅(qū)動(dòng)電路，隔離供電和信號隔離需要另外提供。