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1、PWM功率放大电路卢浩天LC梦创电子制作工作室一、PWM功率放大原理PWM功放电路有单极性和双极性之分。双极性指在一个PWM周 期内，电机电枢电压正、负极性改变一次；单极性指PWM功放管工 作时，有一个PWM信号端和一个方向控制端，在电机正转或反转时, 仅有对应的一对功放管通电，而另一对功放管截止。因此，电机电枢 在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。若忽略晶体管的管压降，可以认为PWM功率放大管的输出电平等 于电源电压，即|=。图1描绘了电枢的电压波形和电流波形。在图中， 为PWMUUTcab脉冲周期，为正脉冲宽度，为负脉冲宽度。电枢两端 的电流是一个脉动的连T如续电流，从图可看
2、出，电枢两端的电流是 一个脉动的连续电流，加快PWM的切换频率，电流的脉动就变小, 结果近似于直流信号的效果，使电机均匀旋转。同时，如果改变PWM 的脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机的转速便将随之改 变，这就是PWM调速的原理。在图中，PWM脉冲频率决定了电枢电流的连续性，从而也决定了电 机运行的平稳性。如果脉冲频率切换频率选择不当，电机的低速性能 有可能不理想，容易烧坏晶体管，而且由于电流不连续，电机有可能 产生剧烈震荡，甚至出现啸叫现象，这些都是不允许的。因此，在设 计PWM功率放大器时，要慎重选择切换频率。为了克服静摩擦，改 善运行特性，切换频率应能使电机轴产生微振，即：式中，
3、为转矩系数，（为电机电磁常数、为励磁磁通），U?KC?KC?61MT. 为功放电源，为电枢电感，为电机静摩擦力矩。TLsa另外，选择切换 频率具体还应考虑以下几个方面：（1）微振的最大角位移应小于允许的位置误差。在伺服系统中，假 设要求位置误差小于，则要求切换频率满足下式：？式中，为电机及 负载的转动惯量。J （2）应尽量减小电机内产生的高频功耗。PWM 脉冲信号的谐波分量将引起电机内部的功耗，降低效率。为此切换频 率应足够高，使电机电枢感抗大大超过电枢内阻，即要求式中，是电机电枢电阻。Ra（3）应当远远大于系统的固有频率，防 止系统固有振荡。实际设计时应综合考虑上述条件，在1000Hz至数万
4、Hz的范围内 选取PWM切换频率。特别需要强调的是，由于伺服电机的电枢电感 较小，如果频率不够高，交流分量过大，很容易烧毁功放管。不过功 放管的开关频率总有一个限度，对大功率功放管来说，开关频率越高, 制造工艺难度越大，成本也越高。因此，用户要根据自己的实际需要 确定有关参数，使自己构建的功率放大器有较高的性能价格比。二、标准的PWM功率放大器图2举出了一个实际的标准双极性PWM功率放大器。它是一个典 型的H型功放，四个功放管分别采用NPN型达林顿管TIP122和PNP 型达林顿管TIP127。PWM脉冲信号通过光电耦合器件4N35加到晶 体管的输入端。4N35的作用是把控制电源与驱动电源隔离
5、，以免驱 动器电源不稳定影响整个控制系统；同时，4N35的输出端还提供功 放管的基极驱动电流。端为高电平时，功PWM2端变为低电平且PWM1系统的工作过程如 下：当放管Q2/Q3导通，Q144截止，电流从电机两侧的B点流向A点, 此时电机正转；反之，反转。二极管D1、D2、D3、D4是续流二极 管，在晶体管切换时提供电流通路，并联在二极管两端的电阻和电容 也起续流作用。PWM1和PWM2是两路控制信号。如果加上如图3所示的信号， 则构成单极性功放电路。PWM信号由8051单片机的定时器产生， 由P1.0输出。P1.1的高低电平代表电机的正反转。四个功放管采用 MOS管。当电机要求正转时，单片机
6、的P1.1输出高电平信号，该信 号分为三路：第一路接与门Y1的输入端，使与门Y1的输出由PWM 决定，所以开关管Q1栅极受PWM控制；第二路直接与开关管Q4 相连使Q4导通；第三路经非门连接到与门Y2的输入端，使与门Y2 的输出为0,结果开关管Q2截止。从非门输出的另一路信号与开关 管Q3的栅极相连，其低电平信号也将使Q3截止。类似地，电机要 求反转时，单片机P1.1输出低电平信号，各功放管的导通与截止与 电机正转时正好相反。双极性PWM电路中，PWM1和PWM2两路控制信号通常不是严 格对称的，造成切换过程中有一个小的时间延迟，如图4所示。实际 上是功率管的开TTw关时间，考虑时间延迟的目的
7、是为了防止H桥 同侧的功放管在开关切换时短路。三、集成PWM功率放大器目前.，针对中小功率的PWM功放电路已经有现成的集成分立器件 出售，由于所有的PWM功能集成在一块芯片上，使得这些集成分立 器件可靠性高，性能好，使用方便。对于初学者而言，调定功放电路 元器件各种参数既麻烦又需要经验，然而集成PWM功放器件的出现, 简化了问题。下面以美国国家半导体公司的LMD18245为例来说一 下。LMD18245是采用DMOS工艺的H桥PWM集成功放电路芯片，专供直流是该芯片的外形和引5封装。图T220个引脚，15电机或 步进电机驱动，共有.脚图。电源电压范围为1255V,额定电流3A,峰值电流6A。图
8、5： LMD18245夕卜形和引脚图6是LMD18245的内部结构图。BRAKE和DIRECTION两个控 制信号的组合决定芯片工作于单极性PWM还是双极性PWMo表1 描述了这两种组合对应的DMOS管的导通情况。在表1中，MONO 为电流监测信号，如不考虑它的影响，在BRAKE端加上PWM信号， 在DIRECTION端加上一个固定电平，则LMD18245工作在单极性 PWM方式；反之，如果在BRAKE端加上低电平，在DIRECTION 端加上PWM脉冲，则LMD18245工作在双极性平PWM方式。从 图6的内部结构来看，该芯片内部带有电流反馈控制电路，为保证电 流反馈电路正常工作，必须在CS
9、 OUT端接一个电流取样电阻到地， 该电阻值R决定了电?？压比较器(COMPAPATOR) 端电压 值。该电压计算公式为：6、10V?R?250VW。电压比较器的“ + ”端电压 的计算公式为：v-D Vo式中是参考电压，D是015的常数，由 M1M4决V?V?V DACREFDACREP16定。用户可以根据需要来设置M1 M4的大小，从而限制电机的电枢电流。图6： LMD18245内部结构原理图表1中MONO表示单稳态触发器的状态，若电机电枢超过用户设 定值，MONO变为低电平；正常工作时，MONO为高电平。DIRECTIBRAKE导通开关管MONOONS2XXH、S1S2LHLS3 S2H H L、S1LS4SHL