脈寬調(diào)制功率放大器SA03在電機(jī)控制中的應(yīng)用

摘要：SA03是由美國(guó)APEX公司生產(chǎn)的高性能脈寬調(diào)制功率放大器。文中介紹了SA03的基本特性和應(yīng)用注意事項(xiàng)，給出了SA03的直流電機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)框圖。

關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制 濾波 旁路 控制 SA03

1 概述

脈寬調(diào)制功率放大器（PWM）通常工作在開、關(guān)狀態(tài)，而且其功耗低、效率高、頻帶寬、線性好。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，干摩擦是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)主要因素，它一方面會(huì)造成系統(tǒng)靜態(tài)誤差，另一方面，在系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)還會(huì)引起跳動(dòng)。在采用PWM控制時(shí)，電機(jī)一般處于微振狀態(tài)，這樣就起到了“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，從而減小了摩擦力矩以及靜、動(dòng)摩擦力矩之差，因此，該微振是避免產(chǎn)生低速跳動(dòng)的重要途徑，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和低速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。

SA03是由美國(guó)APEX公司生產(chǎn)，由偉健電子有限公司代理的高性能脈寬調(diào)制功率放大器。它可為負(fù)載提供3000W功率。由于其內(nèi)部自帶45kHz振蕩器，因而不需要外部元件。時(shí)鐘輸入級(jí)可將內(nèi)部振蕩頻率二分頻，從而提供22.5kHz的基準(zhǔn)開關(guān)頻率，也可以使用外部振蕩器來降低開關(guān)頻率或同步多個(gè)放大器。H橋的每半邊都帶有電流傳感器，可用于給出幅值和方向信息。關(guān)斷端可關(guān)掉H橋的輸出驅(qū)動(dòng)器。利用高壓邊電流限制和可設(shè)定的低壓邊電流限制，除了可防止負(fù)載短路之外，還可防止放大器與電源或地短路。通過直接檢測(cè)基體溫度可防止H橋輸出MOS場(chǎng)效應(yīng)管過熱。

SA03功能強(qiáng)大，使用一片SA03可取代原來大功率晶體管構(gòu)成的功率模塊形成整塊PWM放大器印制板。SA03的外形和引腳排列如圖1所示。

2 基本功能特性

圖2是SA03的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部基本連接電路。SA03的內(nèi)部時(shí)鐘頻率大約是45kHz，一般情況下，CLK OUT引腳直接連接到CLK IN引腳。時(shí)鐘進(jìn)入LCK IN后被二分頻并加到RC網(wǎng)絡(luò)上，從而在-PWM/RAMP引腳產(chǎn)生三角波。外部時(shí)鐘信號(hào)可加在CLK IN引腳以同步多個(gè)放大器，如果頻率低于45kHz，可在-PWM/RAMP端外加一個(gè)電容，以使該端電路和內(nèi)部電容相并聯(lián)。但選擇該電容必須使得三角波振蕩具有4V的峰-峰值，且低邊幅值高于地電平3V以上。

在通過PWM輸入比較器使用全橋驅(qū)動(dòng)器時(shí)，如果+PWM>-PWM，那么，A OUT>B OUT。此時(shí)，產(chǎn)生PWM信號(hào)的運(yùn)行控制處理器能夠用參考于地的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)這些管腳。

SA03內(nèi)含保護(hù)電路，因此，在任一輸出腳對(duì)地短路或器件溫度超限時(shí)，高壓邊限流電路都會(huì)將輸出晶體管封鎖，直到故障排除后再重新復(fù)位。

SA03有兩個(gè)負(fù)載電流取樣端I SENSE A和I SENSE B。采用電壓型控制時(shí)，這兩個(gè)端子應(yīng)短接。而采用電流型控制時(shí)，這兩個(gè)端子必須外接取樣電阻，取樣電阻應(yīng)選用無感電阻，圖2給出了這兩個(gè)端子在電流控制時(shí)的取樣電阻連接方法。

為SA03供電的電源應(yīng)當(dāng)有充裕的旁咱來保證其正確運(yùn)作，否則可能不穩(wěn)定并降低效率，而且在輸出端可能會(huì)有過多的振蕩。Vs應(yīng)當(dāng)用至少1μF的陶瓷電容和另一個(gè)低ESR的至少10μF的并聯(lián)電容來旁路。開關(guān)應(yīng)用是選擇電容類型唯一要考慮的。旁路電容應(yīng)當(dāng)直接連到電源供電端。連線較長(zhǎng)也將引起輸出端過多的振蕩。SA03對(duì)Vcc電源旁路的要求雖然不是很荷刻，但最好用0.1μF～0.47μF的陶瓷電容進(jìn)行旁路。

所有N溝道輸出橋電路的高壓邊均可由自舉電路和泵荷電路驅(qū)動(dòng)。為了使電路產(chǎn)生無限的100%循環(huán)周期，每個(gè)半橋電路的低邊必須預(yù)先設(shè)置在開狀態(tài)。這就是說：如果在啟動(dòng)時(shí)輸入給SA03的信號(hào)要求100%的周期循環(huán)，那么，輸出可能未跟隨命令且可能在三態(tài)狀態(tài)。此時(shí)三角波必須在輸入信號(hào)的某點(diǎn)穿越輸入信號(hào)來正確地確定輸出狀態(tài)。

3 SA03在電機(jī)控制中的應(yīng)用

由于PWM在電機(jī)控制中有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，因而可得到廣泛的應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)較多要用位置、速度、電流三環(huán)結(jié)構(gòu)。由于SA03具有電流保護(hù)和限制功能，因此更適宜采用電流環(huán)。因?yàn)檫@樣可以保護(hù)器件；更重要的是，可以充分利用器件的性能來提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，以使系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，并以最大加速度制動(dòng)，從而提高系統(tǒng)的快速性和動(dòng)態(tài)性能。

在使用外加時(shí)鐘且頻率低于45kHz時(shí)，-PWM/RAMP端的外加電容值基本上和振蕩頻率成反比。一般在使用時(shí)可在一定值范圍內(nèi)稍試幾次，以使該電容值達(dá)到最佳。

在反饋控制中，應(yīng)當(dāng)注意極性問題以確保負(fù)反饋。由于在+PWM>-PWM時(shí)，A OUT>B OUT。因此，應(yīng)理順各環(huán)節(jié)的輸出極性，以便形成負(fù)反饋。

在有電流環(huán)的情況下，關(guān)斷端可作為系統(tǒng)工作的控制端，這樣，在控制系統(tǒng)工作時(shí)，就可以省去體積大、可靠性低的繼電器或接觸器。但由于SA03啟動(dòng)條件的限制，關(guān)斷端由高電平轉(zhuǎn)到低電平后，放大器可能不一定工作。為避免這一情況發(fā)生，可在開通后延遲一段時(shí)間使振蕩器工作，這相當(dāng)于給SA03加一擾動(dòng)來使放大器可靠地啟動(dòng)。其雙環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖3所示。