單電源放大電路

1、用于驅(qū)動(dòng)微型永磁同步電機(jī)的單電源供電放大電路分析鄭璐 黃聲華華中科技大學(xué)(430074）摘要：本文提出了一種用于驅(qū)動(dòng)微型永磁同步電機(jī)的單電源供電放大電路，將其與雙電源供電放大電路進(jìn)行了比較，分析了電路并給出了電路設(shè)計(jì)方法。文中還給出了PSPICE仿真波形以及實(shí)驗(yàn)波形,結(jié)果表明電路能正常工作。關(guān)鍵詞：放大電路，單電源，PSPICE，仿真An analysis on Single Power Supply amplified circuit of Permanent Magnet Synchronous MotorZhenglu Huangshenghuahuazhong university o

2、f science and technology(430074)Abstract: In this paper the research is about the single power supply amplified circuit of Permanent Magnet synchronous motor, and the compare of the dual power supply amplified circuit with it. The circuit has been analyzed and the design method has been described. T

3、he simulation wave of pspice and the wave of experiment could also been read in the thesis. The result shows the circuit operates normally.Keywords: amplified circuit, single power supply, PSPICE, simulation1. 引言永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。在轉(zhuǎn)子上裝有特殊形狀的永磁體，用以產(chǎn)生恒定磁場。轉(zhuǎn)子上的永磁材料可以采用鐵氧體或稀土永磁材料。高性能而價(jià)格適宜的永磁材料，為提高

4、電動(dòng)機(jī)的伺服性能和實(shí)用化提供了條件。由于轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，由永磁體產(chǎn)生磁場，因而不需要引入勵(lì)磁電流，電機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱只取決電樞電流。在電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上繞有三相電樞繞組，接在可控制的變頻電源上。在結(jié)構(gòu)上，定子鐵心直接裸露于外界空間，因此散熱情況良好，也使電動(dòng)機(jī)易于實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。線性放大器主電路具有輸出波形諧波含量低、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是在微小功率（100W）的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中有較大的優(yōu)勢。考慮到驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速精確度及電磁兼容性的要求，所以我們采用線性放大器主電路并加以合理設(shè)計(jì)的濾波電路，使系統(tǒng)的電磁兼容性滿足要求。線性放大電路的示意圖如圖1所示，其中Ig*表示電流的給定量，If表示電

5、流的反饋，兩者相減之后通過電流調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過功率放大電路直接加在電機(jī)的定子上。線性放大主電路包含兩部分，一部分是電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，包括電流采樣和電流調(diào)節(jié)器。另外一部分是功率放大，兩部分都是用硬件來實(shí)現(xiàn)的。圖1 線性放大主電路示意圖電流調(diào)節(jié)器一般采用P調(diào)節(jié)。由于采用硬件來實(shí)現(xiàn)，電流環(huán)的響應(yīng)很快，和速度環(huán)和位置環(huán)的時(shí)間常數(shù)相比電流環(huán)的響應(yīng)時(shí)間基本上可以忽略，這簡化了我們后面的控制環(huán)路的分析。功率放大部分用來放大電流信號(hào)，放大倍數(shù)要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求來選取。功率放大電路一般用功率運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)，功率運(yùn)算放大器要根據(jù)電壓、電流、封裝、功耗等的要求來選取。目前市場上有很多種功率運(yùn)算放大器可供選擇，如TI（

6、如OPA548、OPA549）、Apex（如PA92、PA94）等的產(chǎn)品。2.線形放大電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析2.1雙電源供電時(shí)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如果功率放大部分采用的是雙電源供電，電流可以直接通過采樣電阻得到，電路的接線方法如圖2所示。圖2 放大電路雙電源供電時(shí)的接線方法此時(shí)控制電路、線性放大主電路和電機(jī)都是共地的。電機(jī)定子繞組要引出六根線，分別為A、X、B、Y、C、Z，定子三相繞組最后接成星型，中性點(diǎn)需要引出來和控制和驅(qū)動(dòng)電路的地接到一起。放大電路原理圖如圖3所示，我們可以把這個(gè)電路看作兩級(jí)組成。電路的第一級(jí)為電流采樣，第二級(jí)為電流調(diào)節(jié)器和放大電路。第一級(jí)的放大倍數(shù)由采樣電阻R3以及R2和R1的比值確定

7、，第二級(jí)的放大倍數(shù)由電阻R5和R6、R7的比值確定。圖3 雙電源供電時(shí)放大電路的原理圖采用雙電源供電時(shí)的電流采樣簡單，而且加到電機(jī)上的電壓高，電機(jī)本體的設(shè)計(jì)也容易些。其缺點(diǎn)是需額外設(shè)計(jì)電源，而且在有些場合滿足不了散熱的要求。2.2單電源供電時(shí)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在有些場合，對于電源的使用的要求很嚴(yán)格，而且要求散熱板面積較小，這時(shí)候功率放大電路就要采用單電源供電。由于單電源供電時(shí)，功率放大器輸出的是單極性的相電壓，電流不能直接通過取樣電阻得到。在這種情況下電機(jī)定子繞組只需要引出三根線A、B、C，另外一端X、Y、Z直接在電機(jī)內(nèi)部接成星型。取樣電阻要通過差分放大電路才能得到具體的電流數(shù)值，具體的接線方式如圖

8、4所示。圖4單電源供電時(shí)放大電路接線方法由于功率放大器采用單電源供電，其輸入電壓必須位于零點(diǎn)之上。于是我們必須將雙極性的電壓進(jìn)行偏移并使其位于零點(diǎn)之上，原理圖如圖5所示。 圖5單電源供電放大電路原理圖Ig為電流給定，If為電流反饋。放大電路可以看成由四級(jí)放大電路組成。第一級(jí)放大電路用來將給定電流和采樣電流進(jìn)行比較，放大倍數(shù)由R13和R6、R9的比值決定。第二級(jí)放大電路的作用是將交流電壓偏移至零點(diǎn)之上，從而保證功率放大器能夠正常工作。其放大倍數(shù)由R14和R8、R10的比值決定。第三級(jí)是功率放大電路，放大倍數(shù)由R3和R2的比值決定。第四級(jí)是差分放大電路，用來獲得采樣電阻上電流數(shù)值。采用單電源供電不

9、用額外設(shè)計(jì)電源，但電路相對復(fù)雜，而且偏移電壓的數(shù)值不易確定。3PSPICE仿真仿真電路圖如圖5所示，因?yàn)镻CPISE元件庫中沒有元器件OPA548T，用OPA547代替。其功能和OPA548T基本相同，最大峰值電流為750mA。定子每相的阻抗用5歐的電阻和10毫亨的電感來代替，輸入電壓由正弦電壓源給出。電壓源幅值Vaml設(shè)為5V，頻率FREQ設(shè)為50，偏移量VOFF設(shè)為0，相位PASH分別設(shè)為-120，0，120。以R=2K代替輸入電壓和放大電路之間的阻抗。為便于分析，以上電路中設(shè)置R6=R9=R10=R13=R14=1K，R8=12K，R2=10K，R3=47K，R4=R5=10K，R1=R7=51K，采樣電阻R11設(shè)為0.4，限流電阻R12=1K。 仿真波形如下：圖6 定子相電壓仿真波形圖7 定子線電流仿真波形4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)采用單片機(jī)和DA以及必要的外圍電路產(chǎn)生正弦電壓作為放大電路的輸入，微型永磁同步電機(jī)作為負(fù)載，所得輸出波形如下：圖8 定子相電壓波形圖9 定子線電流波形5.結(jié)論單電源供電和雙電源供電放大電路各有優(yōu)缺點(diǎn)。在對電路的散熱，電源要求比較嚴(yán)格的時(shí)候，我們可以使用單電源供電。在設(shè)計(jì)過程中，為保證放大電路能夠正常工作，應(yīng)選取適當(dāng)偏移電壓，防止功率放大器輸入電壓低于零點(diǎn)以及輸出飽和，即偏移電壓既不能過大也不能過小，應(yīng)根據(jù)電路適當(dāng)選取。參考文獻(xiàn):1王遠(yuǎn).模擬電子技