本文档解释了直流伺服驱动器中功率损耗的起源，提出了一种计算其效率的方法，并给出了一些建议和指南，以提高功耗。

  在将电能转换为机械能的过程中，输入电能和输出机械能之间的所有元件都以散热的形式呈现功率损耗。伺服驱动器的电子设备（逻辑系统和功率级）、电源电缆、电机绕组和电机机械损耗是这种从电气到机械的能量转换中功率损耗的一些来源。下图描述了功率流及其损耗。

  功率损耗不仅会增加系统的功耗，还会转化为热量。必须排空系统热量，因为温度上升会恶化系统运行（增加功率损耗、元件漂移和电气噪声）并降低元件的预期寿命。此外，散热措施成本高昂，并且确实使高密度集成和尺寸减小变得复杂。由于所有这些原因，最小化功率损耗应始终是伺服驱动系统的目标。

  效率（η）定义为输出机械功率（Pout）和输入电功率（Pin）之间的比率。

  在直流伺服驱动电机中，输入功率是由电源或电池系统提供的电力。当使用单电源时，Pin可以计算为：

  其中 Vbus 是电源直流电压（介于 POW_SUP 和 GND_P 端子之间），Ibus 是该电源提供的电流。

  但是，当伺服驱动器使用双电源（电源和逻辑电源的不同电源）时，一定要考虑这两个电源。在双电源系统中，Pin可以计算如下：

  其中 ωout 是以 rad/s 为单位的输出旋转速度，τout 是以 N·m 为单位的输出转矩。

  系统中的所有元件都有损耗，因此有助于系统的加热。机械损耗主要产生于轴承和齿轮上，电机损耗主要由绕组上的电阻损耗和磁芯上的磁损耗组成。 有关机械和电机损耗的更多信息，请参阅制造商的数据。

  伺服驱动器中的功率损耗主要由功率级引起，功率级从直流输入电源转换为交流输出电压。但是，伺服驱动器中的其他模块会导致功率损耗。该图显示了伺服驱动器中主功率损耗源的框图。

  毫无疑问，功率级是伺服驱动器中功率损耗的大多数来自。在三相电机的伺服驱动器中，功率级由六个晶体管组成，这些晶体管将直流输入电源转换为交流输出电机电压。每对晶体管（称为半桥）开关互补地产生脉宽调制（PWM）输出电压。由于电机绕组主要是电感电路，因此当施加高频PWM（从20 kHz到200 kHz）时，电压被滤波并产生连续电流。每个半桥以不同的导通时间与周期比（占空比）激励电机相位，产生不同的平均输出电压，因此，导致电流流过电机。当占空比随时间变化时，输出电压有几率会成为低频交流信号。

  流经晶体管的电流产生所谓的传导损耗，而晶体管的激活和失活会产生所谓的开关损耗。

  ISMC伺服驱动器基于MOSFET或GaNFET晶体管。这些晶体管可以建模为电压控制电阻;当晶体管被激活时，电阻非常小（称为Rdson），电流流过晶体管;当晶体管失活时，电阻非常高，可以将其视为开路。导通损耗（Pcond）是Rdson电阻上产生的损耗。由于每个半桥总是有一个晶体管被激活，因此每相的总传导损耗可以建模为：

  Rdson不是恒定的，而是随着温度上升而增加。因此，温度越高，功率损耗越高。正确耗散伺服驱动器以降低其功率损耗非常重要。

  当晶体管失活时，它会处理其端子之间的高电压，而电流为零。当它被激活时，它可以流动大量的电流，而其端子中的电压非常小。

  晶体管的正常工作是在电流为零时在其端子之间具有高电压（晶体管停用）或在电流较高（晶体管激活）时有很小的压降（Rdson）。然而，两种状态之间的切换不是瞬时的，在此过程中，在某些点上，晶体管端子之间有高电流和高电压。这会在很短的时间内（ 100 ns）产生大量的瞬时功率损耗。开关损耗（Psw）定义为瞬时功率损耗的平均值。每个换向的瞬时损耗与电源电压（Vbus）和相电流（Iph）成正比。开关损耗也与每秒换向次数成正比，即与开关频率（fsw）成正比。

  提供给伺服驱动器的输入逻辑电源电压（即24 V）不适合为内部电子设备供电。因此，所有 ISMC伺服驱动器都包括内部 DC/DC 转换器，可使逻辑电源适应所需的内部电压（即 5V、3.3V 或 1.2V）。

  内部 DC/DC 转换器基于小型功率转换器，仅包含一个或两个晶体管。与功率级一样，DC/DC转换器产生PWM电压，该电压经过滤波以实现连续的直流电压和电流。为了减小DC/DC转换器和滤波元件的尺寸，DC/DC转换器以非常高的频率（从150 kHz到2 MHz）切换。由于频率高，主DC/DC损耗是由开关损耗引起的，开关损耗与输入电压成正比。

  即使使用尖端技术，小型紧凑型DC/DC转换器的最大效率也在90%至95%之间。这在某种程度上预示着在为内部电路供电的电压转换中，可能会损失高达10%的输入逻辑功率。

  伺服驱动器（运动控制器、通信控制器等）上包含的逻辑处理器消耗的所有功率都可以被视为功率损耗，因为它们没提供给输出机械功率。伺服驱动器的解决能力越高，其加工损失就越高。

  与最大电流下的功率级损耗相比，这些损耗很小，但在考虑待机功率损耗时非常重要。

  管理现场总线通信的逻辑收发器是其他功率损耗和发热源。由于许多通信通道同时连接/激活，因此损失越高。在某些通信接口（如以太网）中，即使不发送消息，点对点连接的单一存在也会产生功率损耗。

  待机功耗是指未向电机供电时的输入功耗。在电机运动不恒定且电机电流通常为零的应用中，待机功率损耗至关重要。

  在某些应用中，即使输出电流为零，待机功率损耗也需要保持电机控制。也就是说，处理没有外部扭矩的电机位置。因此， ISMC将待机功率损耗定义为在以下情况下的功耗：

  ·双电源：尽可能使用双电源拓扑结构，电源和逻辑电源具有不一样的电压值。双电源允许对内部 DC/DC 输入使用较低的电源电压，来提升了其效率。

  ·最小逻辑电源电压：通常，逻辑电源仅用于为内部 DC/DC 供电。在这种情况下，使用最小电压电源没有一点缺点。如果逻辑电源用于其他功能（如为机电制动器供电），请使用其他功能所需的最小电压。

  ·最小电源电压：功率级的开关损耗与电源电压成正比。分析应用中的速度和加速度要求所需的最低电压，并将其用于提高效率。

  ·最小开关频率：开关损耗也与伺服驱动器的开关频率成正比。因此，使用我们的电机电感和控制环路更新速率要求的最低电压频率。

  ·减少通信端口：使用多个通信接口会增加逻辑消耗。仅使用在任何给定时间真正需要的通信接口或端口。

  ·提供良好的散热：功率损耗会增加组件的温度，温度越高会产生更高的损耗。改善散热将降低元件温度，以此来降低其损耗。

  如上所述，伺服驱动损耗的计算很复杂，取决于许多因素。因此，最好的方法是从产品手册中获取伺服驱动功率损耗。ISMC伺服驱动器在产品手册/产品描述/热和功率规格上提供功率损耗的图形和数字表示。以下是

  损耗取决于提供给电机的相电流（Iph）、电源电压（Vbus）和开关频率（fsw）。

  ISMC采用当前有效值RMS ，而不是峰峰值，请注意，当前Iph以 3 相 PMSM 电机的有效值表示，有些厂商以峰峰值表示，实际有效值=峰峰值/√2。

  要计算伺服驱动损耗，请计算您的应用所需的电机相电流。相电流（Iph_motor）与电机转矩（τmotor）成正比。电机参数转矩常数（通常称为Kt）决定了每安培输入电流向电动机产生的转矩（N·m）。因此，如果所需的转矩已知，则可以估计相电流。

  一些电机制造商将转矩恒定Kt定义为转矩与波峰电流（正弦波幅）之间的比值，而另一些电机制造商则将Kt定义为转矩与RMS电流之间的比值。请向您的电机制造商查询此信息。ISMC始终使用有效值电流来计算三相PMSM电机的功率损耗。

  ·如果Kt定义为 峰峰值 电流，则电机电流Iph_motor可以估计为：

  这些方程只是近似值。电机损耗或温度等不同因素会影响转矩和相电流之间的比率。

  在Y型有线PMSM电机中，Iph_motor等于计算损耗所需的伺服驱动电流Iph：

  为了优化功率损耗，请使用系统所需的最低电源电压。电源电压定义了能够给大家提供给电机的最大交流相电压，从而定义了电机在标称运行中能够达到的最大速度。为了计算所需的电压，我们一定要考虑电机的简化电气模型，其中每个相位由电阻器，电感器和反向电动势（BEMF）组成，建模为电源：

  与转矩和电流类似，电机参数速度常数（通常称为Ke或Kω）决定了电机在一定速度（ωmotor）下产生的BEMF电压（VBEMF）。

  流经电机的电流（以及扭矩）取决于相电压和BEMF电压之间的差异。如果相电压低于BEMF，电流和转矩将减小，从而减慢电机的速度。如果相电压高于BEMF，电机将产生扭矩，加速电机或保持速度。请注意，加速度将取决于产生的扭矩和扭矩损失（负载和摩擦）之间的差异。

  准确计算所需的电压值，需要求解复杂的电学模型。可以在以下文章中找到更多详细信息：

  为了简化起见，我们不会考虑电机电阻和电感中的电压降，而是在不考虑转矩的情况下计算最小电源电压。

  在Y型有线BLAC电机中，VBEMF提供相位至中性线。VBEMF是以RMS值测量的：

  其中Dmax是伺服驱动器能够给大家提供的最大占空比。该值在产品手册/产品描述中也表示为总线;。

  在Δ型有线PMSM电机中，VBEMF提供相对相。认为VBEMF以RMS值测量：

  有关 Y 型和 Δ 型有线电机中的电压和电流关系的详情信息，请参阅以下文章：

  计算功率损耗所需的第三个参数是开关频率fsw.开关频率通常范围为20 kHz至100 kHz（某些驱动器能够达到200 kHz），可以由用户配置。与电源电压 Vbus 一样，建议使用允许系统具有所需性能的最小开关频率。

  开关频率的选择与电流环路频率和电机的电感有关（电感越小，开关频率必须越大）。有关选择开关频率的详情信息，请参阅以下文章：

  为了最大限度地减少伺服驱动器中的温升，必须正确消散系统热量。一旦计算出功率损耗，就能确定散热器的要求。下图描述了Diamond伺服驱动器的简化耗散模型。

  伺服驱动器产生的功率损耗从功率级流向空气。不一样的材料对热传导的电阻（称为热阻抗，Rth）在空气和功率级之间产生温差。如果我们大家都知道功率损耗（Ploss），热阻抗（Rth），我们大家可以确定将达到功率级的温度。

  功率级的热模型很复杂，有多个热源（多个晶体管）和考虑因素。为了尽最大可能避免在功率级之间使用复杂的模型来伺服驱动外壳阻抗（Rth（p-c）），ISMC提供了外壳上能够达到的最高温度（Tc）。这些温度能在当前降额图上找到（请参阅产品手册/产品描述/当前降额）。查看Diamond 伺服驱动器的示例：

  此图定义了不同电源电压 （Vbus）、相电流 （Iph） 和开关频率 （fsw） 下伺服驱动外壳 （Tc） 的最高温度。

  一旦定义了最大外壳温度（Tc）和系统功率损耗（Ploss），就可以计算出所需的散热器。ISMC伺服驱动器设计为安装在冷却板或散热器上，以达到其最大额定值。有关组件的更多详情信息，请参阅产品手册/安装。

  根据应用所需的电源电压 （Vbus）、相电流 （Iph） 和开关频率 （fsw），确定可处理的最大外壳温度 Tc。

  2.根据应用所需的电源电压 （Vbus）、相电流 （Iph） 和开关频率 （fsw），确定要耗散的功率损耗 Ploss。

  根据之前的定义，伺服驱动器的效率定义为提供给电机的功率（Pmotor）与输入功率（Pin）之间的比率。

  为了通过实验测量效率，必须测量伺服驱动输出和输入功率。输入功率可以很容易地计算为输入电压和电流的乘积。这些是能够正常的使用标准实验室仪器测量的连续量级。

  伺服驱动输出功率也可以计算为相电压和电流的乘积。由于伺服驱动器输出交流信号，因此一定要使用一个周期的平均功率：

  如果将相电流和电压简化为正弦交流信号，则能轻松实现与电机功率的良好近似（请参阅如何计算伺服驱动器的输出功率或有关此近似方法的更多信息）。 然而，这种方法没考虑功率级的非理想性（PWM开关，晶体管中的电压降等），这是功率损耗的原因。因此，正弦近似值对于计算伺服驱动效率无效。

  由于正弦近似值对测量效率无效，因此一定要使用更高精度的测量方法。分析了两种方法并详细说明了其要求：使用三相功率分析仪和使用具有校准热阻抗的量热仪。

  测量伺服驱动输出功率（Pmotor）的最简单方法是使用多通道功率分析仪。该仪器测量电机的三相电压和三相电流并将它们相乘，计算瞬时功率损耗并对其进行平均。原则上，这应该是测量伺服驱动器输出功率的最精确方法。由于伺服驱动器中的功率损耗仅占输出功率的一小部分（效率可能在97%左右），因此功率测量必须非常准确。也就是说，功率测量精度为1%可能意味着功率损耗误差为50%。由于这一事实，对于大多数商用功率分析仪来说，测量伺服驱动效率所需的精度和采样频率要求太高。

  功率分析仪中包含的电压表一定要能精确测量功率级晶体管中的压降，以便测量传导功率损耗。考虑到在提供30 A电流时晶体管导通电阻（Rdson）为3 mΩ，它会导致90 mV的压降。考虑到相电压是摆动范围为0至72 V（Vbus电压）的PWM信号，电压表的正常刻度可能为100 V。考虑到这一些因素，并将电压误差限制在测量电压的1%，电压表要求在100 V时精度为满量程的0.01%。这是大多数商用功率分析仪不足以满足的非常苛刻的要求。

  功率分析仪的采样率与电压精度一样重要。为了正确测量输出功率，必须正确测量输出信号的占空比（信号期间的时间百分比）。对于100 kHz的开关频率（10 μs周期），建议最小采样速率为10 ns，这在某种程度上预示着占空比的精度为0.1%。这也是一个非常苛刻的要求，大多数功率分析仪都无法满足。

  与其测量输出功率并找到效率，更简单的方法是直接测量功率损耗，然后计算效率：

  测量功率损耗的方法是测量产生的热量。为此，需要具有已知传热路径的设置。建议的设置包括一个具有小耗散孔径的量热仪。在热传导路径上（在铝块中实现），我们在路径的不同点上放置两个温度传感器。如果两点之间的热阻已知，则温差将提供正在耗散的功率的度量。

  请注意，要实现低于驱动器最高温度的热稳定状态，需要最小的耗散。如果耗散太小，驱动器将达到过高温度并停止工作（过热保护）。

  在每次使用设置之前，一定要使用已知的热源校准热阻抗Rthcal。最准确的方法是在功率级的反向二极管上产生热量。如果在相位和GND之间施加负电压，电流将流过二极管，产生损耗。请注意，如果操作不当，此方法可能会损坏功率级！

  另一种方法是将已知的功率电阻器放置在与伺服驱动器相同的耗散板上。为实现精确测量，电阻器必须放置在非常靠近伺服驱动器的位置，并且必须与耗散器具有类似的热耦合。

  对校准热源施加恒定电压，并测量施加的电流和电压以确定功率。为实现适当的校准，产生的功率（Pcal）必须与伺服驱动功率损耗（Ploss）相似。在应用校准功率时，测量传感器 1 （T1） 和 2 （T2） 上的温度。一旦温度达到稳态，记录输入功率（Pcal）的值，以及温度T1和T2。此测试后，热阻可以计算如下：

  校准后，可以测量功率损耗。以所需的电源电压（Vbus）为伺服驱动器供电，并以所需的相电流（Iph）激励电机。保持测试条件，直到达到热稳定状态。此时，测量温度 T1 和 T2 并计算伺服驱动功率损耗：

  ·伺服执行器中的所有元件都会产生功率损耗。功率损耗转化为热量，从而恶化系统性能。因此，功率损耗必须耗散。

  ·伺服驱动器中功率损耗的大多数来自是功率级。但是，逻辑处理器和内部DC/DC 也有贡献。

  ·为了降低伺服驱动功率损耗，请使用双电源方案（逻辑和电源），使用所需的最小电源电压，使用所需的最小开关频率并提供良好的散热。

  使用功率分析仪进行效率测量十分艰难，因为精度和采样率要求太高。功率损耗能够正常的使用具有校准热阻的改进量热仪做测量。