柏桂珍（哈尔滨工业大学）

     由晶体管组成的线性功率放大器有很多优点，但它有一个****的缺点就是效率底，特别是在电动机低转速、大转矩运行时，需要的是低电压，大电流，效率低这个缺点表现得更为明显。而采用分立元件组成的脉宽调制型(PWM)功率放大器使用的元件较多，调试比较麻烦。笔者采用集成电路组成PWM功率放大器，加40V电压可长期输出3A电流。该电路的特点是结构简单、调试方便、具有电流负反馈线路和可靠的限流保护措施。该电路在一些高精度位置伺服系统中作为驱动力矩电动机的功率放大器，性能良好，运行可靠。PWM电路的静态特性.

    常见的PWM功放包括双极性输出和单极性输出两种，其中双极性输出的PWM功放电路的输出雒。是宽度可调的正、负矩形波电压信号，如图1所示。把矩形波电压信号展开成傅里叶级数可得：

式中U_o-输出电压的平均值

    γ——矩形波的占空比，且有

f为放大器的开关频率，T为开关周期，且有

    由式(l)知PWM放大器的输出电压可以看成是一个直流电压分量Uo与一系列高频率的交流电压分量之和，如果功放的负载是直流电动机，由于开关频率f远高于电动机的频带和共振区，因此可认为所有高频交流电压完全被电机所衰减，对电机转速起作用的只是直流分量，即输出的矩形波电压的平均值Uo，Uo就可看成是PWM功放的输出电压。

    PWM功放的输出电压Uo与输入电压ui的关系是：

 

     K为PWM功率放大器的放大系数。由式(4)知PWM功放的输出电压Uo的大小和正负完全取决于输入电压信号Ui的大小和正负。

    与纯直流电压相比，直流电动机运行在高频矩形波电压下，电机电枢回路的功率损耗要大一些，所增加的这一部分功率损耗称为电机的附加损耗。可以证明附加损耗与开关频率厂平方成反比。开关频率越高，交变电压对电机和整个伺服系统的影响也越小。当开关频率超出声频时，又可降低工作环境的噪声。可见，希望提高开关频率，但是由于直流电动机的脉宽调制功放电路半导体元器件本身频率特性的限制，使开关频率不能选的太高，同时功放电路本身的开关损耗也与开关频率，成正比，过大的损耗将使有关电子元件过热。一般是综合考虑这些互相矛盾的因素，选择适当的开关频率。常见的PWM功放的开频率为几千赫至十几千赫。

   图2是电路原理图。图中A11、A12、A13和A14为四远放TL084，A2为单运放0907，A3、A4是反相器，T1、T2是三极管3DK4，作为功放的推动级，左1/2和右1/2是STK465集成电路块。输入信号Ui由A11的反相输入端引入，输出电压u o由输出级的M-M端引出。

   整个功放电路包括：

   放大器采用STK465双通道音频功率放大集成电路作为输出级。这种集成电路本来是供收音机、电视机等做音频功放用的专用集成电路，通过几年的实际使用觉得用它来组成功放驱动直流电动机也很适用。二级管D₆—D₉是续流二级管，当输出电压uo由正变负或由负变正时，它们为电机中的电流提供了续流回路，同时把输出端的电位钳在40V或0v，避免电机电流发生突变时电机绕组电感引起的高压自感电势击穿集成放大器。二极管D₆～D₉的****平均整流电流应大于功放电路的额定输出电流3A。R27和R34是0. 5Ω的线绕电阻，其上的电压与功放的输出电流成正比，供电流负反馈用。F₁、F₂是保险丝，H₁、H₂是发光二极管，其它的有关电阻电容是STK465电路所要求的。

    b．三角波发生器

    由运算放大器Al3和A14组成三角波发生器。其中Al4组成基型迟滞比较器，A13组成反相积分器，它们共同组成正反馈回路，形成自激振荡。A14输出方波，A13输出三角波，荡频率为：

    该频率也就是功放电路的开关频率，选为16kHz。

    由运放A12组成脉冲宽度调制器。电阻Rt很大，可以看成是开路。A12由同相输入端输入三角波，反相输入端接前级来的信号和调宽电位器Rt的信号。当输入信号为零时，A12输出正、负宽度相等的方波信号，若有信号输入，则A12输出的波形占空比由输入信号的大小及正、负决定。

    为了提高伺服系统的抗干扰力矩的性能，往往要在电动机控制回路中加入电流负反馈，因此性能良好的功率放大器应当具有电流负反馈线路供控制系统设计者选用。本功放电路中，由输出级取得的与电流成正比的电压信号加到运放A2的反相输入端和同相输入端，A₂的输出电压与功放输出电流成正比。此电压经电位器R9和输入电阻R₂，加到运放A11的反相输入端，形成电流负反馈。利用电位器R9可以调整电流负反馈的强弱。R21和R22必须是精密电阻，并且数值要求对称，C₁和C₂两个电容值也应选择对称值。

    从运放A₂输出的电压还可作为限流保护的信号，将此电压加到比较器的输入端与电流设定值进行比较（此电流设定值通过一个电位器和一个运放实现）。些放大器超出定电流时，比较器输出端就会送出一个过流信号，此信号可使继电器动作，切断功放输入信号直至排除故障恢复正常工作。

    调试该放大器时首先断开输出级即STK465，用示波器观察A13输出端应为三角波，改变C3值可改变振荡频率，A13输出端为方波，T₁、T₂的基极、集电极均为方波电压信号，只是幅值不同。若波形不对称可调整电位器Rt使输出波形对称。

    接上STK465看输出端(M -M)电压应为方波信号，空载调试正常后再带上电机调试，加电机后的放大器输出波形为上升沿带有小尖峰的方波信号。

    该电路在输入端前稍加几个元件可以构成速度微分反馈、复合控制等控制回路。

     美国通用电气公司(GE)推出一种可编程变速电动机。新产品可极大地降低空调系统及冰箱、冷柜和洗衣机等家用电器的运行成本。据称，可望占领世界取暖、排气和空调系统用小型电动机市场的百分之五至百分之十。满负载效率比一般感应电动机高百分之二十，若部分负载低速运转效率更高，噪声也比较小。

    GE公司估算，如果美国国内所有空调器和取暖系统应用新电动机，全国一年可节电9.9×l0⁶kW，相当于100万户家庭的****需求量。该公司把此屯动机称作电子整流式电动机(ECM)。它也是一种无刷直流电动机，其定子线圈与一般交流感应电动机相类似。转子采用****磁铁，所以转子没有感应电流，无电耗。

    该ECM电动机利用电子开关使用电流逐一通过定子线圈来控制，代替了传统的机械整流子和电刷。改变开关速率可精确控制电动机的速度和力矩，以与任何负载匹配，从而大大提高电动机的效率。