PWM功率放大電路

1、pwMj率放大電路盧浩天LC 夢(mèng)創(chuàng)電子制作工作室一、pwMj率放大原理PWM功放電路有單極性和雙極性之分。雙極性指在一個(gè) PW陶 期內(nèi)，電機(jī)電樞電壓正、負(fù)極性改變一次；單極性指 PW網(wǎng)放管工作 時(shí)，有一個(gè)PWM1號(hào)端和一個(gè)方向控制端，在電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，僅 有對(duì)應(yīng)的一對(duì)功放管通電，而另一對(duì)功放管截止。因此，電機(jī)電樞在 正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，正、負(fù)極性是固定的，即是單極性的。若忽略晶體管的管壓降，可以認(rèn)為PW剛率放大管的輸出電平等 于電源電壓，即|Uab|=Uc。圖1描繪了電樞的電壓波形和電流波形。 在圖中，T為PW麻沖周期，Tp為正脈沖寬度，Th為負(fù)脈沖寬度。電 樞兩端的電流是一個(gè)脈動(dòng)的連續(xù)電流， 從

2、圖可看出，電樞兩端的電流 是一個(gè)脈動(dòng)的連續(xù)電流，加快 PWM）切換頻率，電流的脈動(dòng)就變小， 結(jié)果近似于直流信號(hào)的效果，使電機(jī)均勻旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，如果改變 PWM 的脈沖的寬度，電樞中的平均電流也將變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速便將隨之改 變，這就是PWMB速的原理。在圖中，PWMK沖頻率決定了電樞電流的連續(xù)性，從而也決定了 電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。如果脈沖頻率切換頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)的低速性 能有可能不理想，容易燒壞晶體管，而且由于電流不連續(xù)，電機(jī)有可 能產(chǎn)生劇烈震蕩，甚至出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象，這些都是不允許的。因此，在 設(shè)計(jì)pwMj率放大器時(shí)，要慎重選擇切換頻率。為了克服靜摩擦，改善運(yùn)行特性，切換頻率應(yīng)能使電機(jī)軸產(chǎn)生微振，即

3、：KtUcFT ：式中，KT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Kt =Cm6(Cm為電機(jī)電磁常數(shù)、為勵(lì)磁 磁通)，Uc為功放電源，La為電樞電感，Ts為電機(jī)靜摩擦力矩。津極性LC夢(mèng)創(chuàng)電子制作工作室也磔極性圖】：電機(jī)電樞電壓與電流波謠另外，選擇切換頻率具體還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：(1)微振的最大角位移應(yīng)小于允許的位置誤差。在伺服系統(tǒng)中,假設(shè)要求位置誤差小于6 ,則要求切換頻率滿足下式:FTF、.=(KTUc 192LaJ式中，J為電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(2)應(yīng)盡量減小電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的高頻功耗。 PWM：沖信號(hào)的諧波分量將引起電機(jī)內(nèi)部的功耗，降低效率。為此切換頻率應(yīng)足夠高，使電機(jī)電樞感抗大大超過(guò)電樞內(nèi)阻，即要求FtRa式中，

4、Ra是電機(jī)電樞電阻。(3)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的固有頻率，防止系統(tǒng)固有振蕩。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮上述條件，在1000Hz至數(shù)萬(wàn)Hz的范圍內(nèi) 選取PWMH換頻率。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，由于伺服電機(jī)的電樞電感較 小，如果頻率不夠高，交流分量過(guò)大，很容易燒毀功放管。不過(guò)功放 管的開(kāi)關(guān)頻率總有一個(gè)限度，對(duì)大功率功放管來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率越高， 制造工藝難度越大，成本也越高。因此，用戶要根據(jù)自己的實(shí)際需要 確定有關(guān)參數(shù)，使自己構(gòu)建的功率放大器有較高的性能價(jià)格比。 二、標(biāo)準(zhǔn)的PWMta率放大器圖2舉出了一個(gè)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)雙極性 PWMJ率放大器。它是一個(gè)典 型的H型功放，四個(gè)功放管分別采用 NPNffi達(dá)林頓管TIP122

5、和PNP 型達(dá)林頓管TIP127。PW麻沖信號(hào)通過(guò)光電耦合器件 4N35加到晶體管的輸入端。4N35的作用是把控制電源與驅(qū)動(dòng)電源隔離，以免驅(qū)動(dòng)器電源不穩(wěn)定影響整個(gè)控制系統(tǒng)；同時(shí)，4N35的輸出端還提供功放管的基極驅(qū)動(dòng)電流。系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：當(dāng)PWM1變?yōu)榈碗娖角襊WM2為高電平 時(shí)，功放管Q2/Q3導(dǎo)通，Q1/Q4截止，電流從電機(jī)兩側(cè)的 B點(diǎn)流向A 點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，反轉(zhuǎn)。二極管 D1、D2、D3 D4是續(xù)流二 極管，在晶體管切換時(shí)提供電流通路，并聯(lián)在二極管兩端的電阻和電 容也起續(xù)流作用。PWM1 口 PWM2兩路控制信號(hào)。如果加上如圖 3所示的信號(hào)，則 構(gòu)成單極性功放電路。PWM1號(hào)

6、由8051單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，由P1.0 輸出。P1.1的高低電平代表電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。四個(gè)功放管采用MO潸。當(dāng)電機(jī)要求正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)的 P1.1輸出高電平信號(hào)，該信號(hào)分為三 路：第一路接與門(mén)Y1的輸入端，使與門(mén)Y1的輸出由PW映定，所以 開(kāi)關(guān)管Q1柵極受PW臟制；第二路直接與開(kāi)關(guān)管Q4相連使Q4導(dǎo)通； 第三路經(jīng)非門(mén)連接到與門(mén)Y2的輸入端，使與門(mén)Y2的輸出為0,結(jié)果 開(kāi)關(guān)管Q2截止。從非門(mén)輸出的另一路信號(hào)與開(kāi)關(guān)管 Q3的柵極相連， 其低電平信號(hào)也將使Q3截止。類(lèi)似地，電機(jī)要求反轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P1.1 輸出低電平信號(hào)，各功放管的導(dǎo)通與截止與電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)正好相反。雙極性PW跑路中，PWM1 PWM兩路控制

7、信號(hào)通常不是嚴(yán)格對(duì)稱的，造成切換過(guò)程中有一個(gè)小的時(shí)間延遲 Tw,如圖4所示。Tw實(shí) 際上是功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，考慮時(shí)間延遲的目的是為了防止 H橋同側(cè) 的功放管在開(kāi)關(guān)切換時(shí)短路。LC夢(mèng)創(chuàng)電子制作工作室三、集成PWMfo率放大器目前，針對(duì)中小功率的PWMJ放電路已經(jīng)有現(xiàn)成的集成分立器件 出售，由于所有的PWMfc能集成在一塊芯片上，使得這些集成分立器 件可靠性高，性能好，使用方便。對(duì)于初學(xué)者而言，調(diào)定功放電路元 器件各種參數(shù)既麻煩又需要經(jīng)驗(yàn)， 然而集成PW加放器件的出現(xiàn)，簡(jiǎn) 化了問(wèn)題。下面以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的 LMD18245例來(lái)說(shuō)一下。LMD18245是采用DMOS：藝的H橋PW喋成功放電路芯片

8、，專(zhuān)供 直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，共有 15個(gè)引腳，T-220封裝。圖5是該 芯片的外形和引腳圖。電源電壓范圍為 1255V,額定電流3A,峰值 電流6A。圖5: LMD18248卜形和引腳圖6是LMD18245勺內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。BRAKES DIRECTIONS個(gè)控制 信號(hào)的組合決定芯片工作于單極性 PWME是雙極性PWM表1描述了 這兩種組合對(duì)應(yīng)的DMO管的導(dǎo)通情況。在表1中，MONO；電流監(jiān)測(cè) 信號(hào)，如不考慮它的影響，在 BRAK端力口上PWM1號(hào)，在DIRECTION 端加上一個(gè)固定電平，則 LMD18245T作在單極性PW昉式；反之， 如果在 BRAK瑞力口上低電平，在 DIRECTION力口上 PWM永沖，則 LMD18245X作在雙極性平PW昉式。從圖6的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，該芯 片內(nèi)部帶有電流反饋控制電路，為保證電流反饋電路正常工作，必須 在CS OU得接一個(gè)電流取樣電阻到地，該電阻值R決定了電壓比較器(COMPAPATOR - "端電壓值V_。該電壓計(jì)算公式為： V_=R(C A250M10" V。電壓比較器的“ +”端電壓V+的計(jì)算公式為： v+=VdacrefMD V。式中Vdacref是參考電壓，D是015的常數(shù)，由 16M1-M4決定。用戶可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)置 M1-M4的大小，從而限制電 機(jī)的