1.為什么Servo drive使用PWM，它是如何工作的？

伺服驅動器的基本功能是將來自控制器的低功率信號（low-power signals）轉換或放大（convert or amplify）為更高功率的信號（higher-power signals），以傳遞給電機繞組（motor windings）。

伺服驅動器（也被稱為伺服放大器servo amplifiers）可以是線性的（linear），也可以是開關型的（switching），這取決于如何從逆變器（inverter）的開關器件（通常是IGBT或MOSFET）向電機輸送功率。

線性伺服放大器（linear servo amplifier）通過保持逆變器的晶體管（transistors）在某種程度上始終打開（keep the transistors always on），使電壓持續流向電機（voltage flow continuously to the motor）。

相比之下，開關式或PWM（脈寬調制）放大器則是通過開關逆變器的晶體管（switch the transistors on-and-off）來調節流向電機的電壓（modulate the voltage）。

那么，為什么使用開關switching或PWM驅動，而不是線性驅動？

主要原因是效率（efficiency）。因為線性驅動器（a linear drive）中的晶體管始終處于開啟狀態，會產生高功率耗散（high power dissipation），可能產生大量的熱量（generate significant heat）。這會降低效率并增加尺寸（increase size），因為驅動器需要一個合適的散熱器（heat sink）或冷卻機制（cooling mechanism）來保護晶體管。

PWM驅動器以非常高的頻率（通常為10至20赫茲）開關晶體管，產生一列方波脈沖（a train of square-wave pulses），模擬出模擬正弦波信號（an analog, sine wave signal）。

脈沖的占空比（duty cycle），開啟時間占總時間（開啟時間+關閉時間）的比率，決定了脈沖寬度（pulse width），進而決定了輸送到電機的電壓（voltage）和電流（current）大小。

由于PWM驅動中的晶體管在其線性（linear）或有源區工作（active region），換句話說，要么完全打開（fully on），要么完全關閉（fully off），所以功率耗散（power dissipation）和發熱相對較低，特別是與基于載波（carrier-based）的PWM相比。而且，開關更快的PWM效率更高，因為晶體管在其線性區域的時間較少。

但是，快速切換會導致高dv/dt（電壓變化），產生不良效果（result in undesirable effects），如干擾其他設備的噪聲（noise）和被稱為反射波（reflected waves）的過電壓（over-voltages），因此需采用適當的過濾方法（proper filtering methods）和電纜屏蔽（cable shielding）。

1.1 PWM驅動的脈沖可以通過以下兩種方式。

在傳統的方法中，通常被稱為基于載波的PWM，PWM脈沖來自逆變器開關頻率的三角信號（triangular signal），以及PWM發生器（PWM generator）產生的正弦波信號（a sine wave signal）。

?PWM脈沖的一種更先進的方法（A more advanced method）稱為空間矢量調制（space vector modulation），或SVM（或SVPWM）。

這種方法使用三相電壓的矢量表示（vector representations of the three-phase voltages），并計算逆變器開關的所需占空比，以合成參考輸出電壓（synthesize a reference output voltage）。

空間矢量調制能更好地利用母線電壓（bus voltage），向電機提供更高的電壓（deliver higher voltage），總諧波失真更低（lower total harmonic distortion），扭矩紋波（less torque ripple）更小。

2.什么是空間矢量脈寬調制（SVPWM）？

控制三相感應電機和永磁同步電機（又名BLAC或PMAC電機）的一種常見方法是磁場定向控制（field oriented control），獨立地控制定子電流的磁化和轉矩產生的分量（magnetizing and torque-producing components）。這使得扭矩產生分量可保持與轉子通量正交（torque-producing component keeps orthogonal to the rotor flux），從而最大限度地提高扭矩產生（maximize torque production）。

?空間矢量脈寬調制（SVPWM），用于場向控制（FOC）的最后一步，確定逆變器開關的脈寬調制信號，以產生電機所需的3相電壓。

以下是對SVPWM如何運作的總結：

?1.測量電機三相電流中的兩相，并將其輸入克拉克變換（Clarke transform），將其從三相系統（ia, ib, ic）轉換為二維正交系統（two-dimensional orthogonal sytem）（iα, iβ）。請注意，沒有必要測量三個電流，因為這三個電流之和必須等于零（0）。第三個電流必須是前兩個的負數之和（the negative sum of the first two）。
2. 應用帕克變換（Park transform）將兩軸靜止系統two-axis stationary system（iα，iβ）轉換為兩軸旋轉系統two-axis rotating system（iq，id），其中q軸電流與轉子磁通對齊，d軸電流（產生扭矩的部分）與轉子磁通正交。
3. 定子電流磁通和扭矩是獨立控制的（controlled independently），通常由PI控制器控制。用于電機的電壓Vd和Vq由PI控制器確定。
4. 反Park transform將兩軸旋轉系統（Vsqref, Vsdref）轉換回兩軸靜止系統（Vsαref, Vsβref）。這些都是定子電壓矢量的組成分量，是SVPWM的輸入，以產生3相輸出電壓用于電機。(注意，使用SVPWM就不需要進行反克拉克變換（inverse Clarke transform）來獲得三相輸出電壓）。

場向控制將一個三相系統的時變系統（time-dependent system）轉變為一個雙坐標（d和q）的時變系統（time-invariant system）。SVPWM用于最后一步，以確定應用于電機的PWM信號。

2.1 SVPWM背后的細節

由六個晶體管（輸出端每條腿兩個two on each leg of the output）組成三相逆變器輸送電壓給電機。三個輸出端中的每一個都可以處于兩種狀態之一：頂部晶體管關閉（top transistor closed），底部晶體管打開（bottom transistor open），或反之。因此輸出端共有八（23）種狀態。這些被稱為基極向量（base vectors）。

?八個基礎向量繪制在一個六邊形的星形圖上（a hexagonal star diagram）。每個向量構成星形的一輻（a spoke of the star），相鄰向量（adjacent vectors）之間有60度的相位差。兩個包含全加（all plus）或全減（all minus）輸出的向量（V0和V7）稱為空向量（null vectors），繪制在星形的中心（原點origin）。

SVPWM的目標是在PWM期間（TPWM）產生"平均矢量（mean vector）"，等于期望電壓矢量（the desired voltage vector）（Vout）。

?Vout的位置在星形圖上確定，約束該扇區的基礎矢量（例如V1和V3），以及一個空矢量，被用來合成期望的電壓。在指定的時間（specified time）（T1）內應用V1，在指定的時間（T3）內應用V3，以及在必要的時間（T0）內應用空矢量（null vector），以提供一個等于Vout的結果矢量（a resultant vector）。

T1、T3和T0的值可以通過以下公式確定：

?然后，Vout的模擬可以表示為：

?與標準的場導向控制（FOC）相比，使用帶有空間矢量脈寬調制可以更有效地利用直流電源電壓，提供更低的諧波失真（lower harmonic distortion，從而提高功率因數，并減少扭矩紋波。