PWM型功率放大器長(zhǎng)線傳輸波形整型

王 剛，柳秋興，宋曉明，柳井莉

（1.海軍駐西安二十所軍事代表室 陜西 西安 710068；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

PWM型功率放大器，因其效率高、體積小，重量輕，即功率密度大等原因，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合[1]。

PWM型功率放大器的輸出，是一種頻率固定，占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)變化的脈沖信號(hào)[2]。由于：長(zhǎng)線（功率放大器與負(fù)載之間的連接導(dǎo)線，具有等效電阻和等效電感）傳輸；以及PWM型功率放大器的布板；功率元器件、濾波電容器的選型及容值（容值與負(fù)載電流相關(guān)、額定電壓與功率電源電壓相關(guān)）的選擇；開(kāi)關(guān)死區(qū)等的影響，從負(fù)載端（電動(dòng)機(jī)輸入端）測(cè)量時(shí)，調(diào)寬脈沖的上升沿和下降沿均會(huì)附加上一個(gè)振蕩衰減型的尖峰干擾，可能會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)或其它設(shè)備造成干擾、損傷甚至破壞，因此必須對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行波形整型，剔除尖峰干擾，恢復(fù)為近似理想波形。

1 形成尖峰干擾的原因

工程實(shí)際中的高電壓、大電流型PWM波，在其上升沿和下降沿可能附加振蕩衰減型尖峰干擾（如圖1所示）。而與之相對(duì)應(yīng)的近似理想波形（如圖2所示）。

具有PWM型功率放大器、傳輸長(zhǎng)線、吸收和濾波網(wǎng)絡(luò)、電動(dòng)機(jī)的等效電原理圖如圖3所示（圖中虛線內(nèi)部分為附加的吸收網(wǎng)絡(luò)）。

圖3中：

圖1 帶有尖峰干擾的脈寬調(diào)制波形Fig.1 Waveform with spike pulse

圖2 理想的脈寬調(diào)制波形Fig.2 Perfect waveform

圖3 功放、長(zhǎng)線、附加電氣網(wǎng)絡(luò)、電動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Amplifier，long cable，motor net

可知

令

即去掉圖3中的虛線部分，有

此外，忽略長(zhǎng)線的等效電阻和等效電感的影響，即

有

功率放大器的等效電阻R0與電動(dòng)機(jī)的直流等效電阻Rm滿足關(guān)系式

即有

由（2）式、（4）式可知，傳輸長(zhǎng)線的等效電感、電動(dòng)機(jī)的繞組電感和電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，是引起附加尖峰擾動(dòng)的原因。

2 干擾尖峰的剔除

調(diào)寬脈沖上附加的尖峰干擾的剔除，從原理上來(lái)講，有3類方法：一種是吸收，另一種則是濾波，最后是短線傳輸法。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可按實(shí)際情況進(jìn)行取舍[3]。

1）濾波法

功率電路中，一般均采用LC濾波方式，此時(shí)電感串在電動(dòng)機(jī)回路，電容并聯(lián)在電動(dòng)機(jī)引線兩端，此時(shí)電感通過(guò)的電流較大，引起其體積較大；電容充放電時(shí)，因?yàn)槠涞刃щ娮璧拇嬖冢苋菀装l(fā)燙[4-5]。因此，這種方法一般不可取。如圖4所示。

圖4 LC濾波網(wǎng)絡(luò)Fig.4 LC filter network

2）吸收法

吸收一般采用2種方法，阻容網(wǎng)絡(luò)吸收和電容吸收。

阻容網(wǎng)絡(luò)吸收，是將串聯(lián)的電阻和電容，與電動(dòng)機(jī)的輸入端緊挨并聯(lián)。如圖5所示。

圖5 阻容吸收網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Absorbing net

實(shí)際上，阻容網(wǎng)絡(luò)吸收中，僅低ESR電容即可形成回路，吸收尖峰干擾。但是因?yàn)殡娙莸乃矔r(shí)充、放電電流很大，致使其溫度很快升高。串入電阻的目的即使為了減小瞬態(tài)電流，降低溫升。

阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)目較小，但其普適性較差，其參數(shù)需要臨時(shí)配置。

電容吸收是用無(wú)感電容并聯(lián)緊挨PWM功率放大器。因該電容的體積較大，一般不予采用，另外，其適用性尚待驗(yàn)證。

3）短線傳輸法

將PWM功率放大器盡可能地靠近電動(dòng)機(jī)，減小傳輸距離，是去除尖峰干擾的最直接的方法[6]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

1）阻容式吸收網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)以功率轉(zhuǎn)換電源電壓為80 V。4 kHz的PWM載波頻率，經(jīng)50 m長(zhǎng)線傳輸，加載于某一直流永磁力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，從電動(dòng)機(jī)端測(cè)量電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，其波形如圖6所示，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示；加入阻容吸收網(wǎng)絡(luò)后的電動(dòng)機(jī)端電壓波形對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 整型前電動(dòng)機(jī)端電壓波形Fig.6 Waveform before adjusting

表1 阻容吸收網(wǎng)絡(luò)加入前的電動(dòng)機(jī)端電壓波形Tab.1 Absorbing network before joining motor terminal voltage waveform

4 結(jié) 論

由試驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：加入阻容式吸收網(wǎng)絡(luò)后，基本去掉尖峰擾動(dòng)，獲得準(zhǔn)理想波形；所用電阻和電容的量值，需根據(jù)實(shí)際情況而定。

圖7 整理后電動(dòng)機(jī)端電壓波形Fig.7 Waveform after adjusting

表2 阻容吸收網(wǎng)絡(luò)加入后的電動(dòng)機(jī)端電壓波形Tab.2 Absorbing network was added after the motor terminal voltage waveform

從PWM功率放大器+傳輸長(zhǎng)線+附加網(wǎng)絡(luò)+電動(dòng)機(jī)的整體構(gòu)成角度出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行了理論分析，給出可能引發(fā)波形畸變的因素，并給出了幾種解決方法，實(shí)際測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

[1]爾桂花，竇曰軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

[3]郭貴蓮，崔志強(qiáng)，盛光中.空間矢量PWM算法及波形分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（2）：74-76.

GUO Gui-lian，CUI Zhi-qiang，SHENG Guang-zhong.Calculation and analysis of PWM based on space vector theroy[J].Journal of China Three Gorges University，2003（2）:74-76.

[4]王紅紅，王剛.光電跟蹤系統(tǒng)電流控制環(huán)路研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2011（6）：19-21.

WANG Hong-hong，WANG Gang.Study on electric current closed-loop of O-E tracking system[J].Journal of Applied Optics，2011（6）:19-21.

[5]余勇.一種基于PWM控制的溫控系統(tǒng)及其參數(shù)自整定[J].自動(dòng)化與儀表，1999，14（5）：22-24.

YU Yong.A temperature control system based on PWM control and parameters[J].Automation and instrumentation，1999，14（5）：22-24.

[6]張崇興，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.