PWM型功率放大器長線傳輸波形整型

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)用于電動機的驅(qū)動等場合[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[2]。由于：長線（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；開關(guān)死區(qū)等的影響，從負(fù)載端（電動機輸入端）測量時，調(diào)寬脈沖的上升沿和下降沿均會附加上一個振蕩衰減型的尖峰干擾，可能會對電動機或其它設(shè)備造成干擾、損傷甚至破壞，因此必須對該輸出信號進(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、傳輸長線、吸收和濾波網(wǎng)絡(luò)、電動機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、長線、附加電氣網(wǎng)絡(luò)、電動機網(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與電動機的直流等效電阻Rm滿足關(guān)系式

即有

由（2）式、（4）式可知，傳輸長線的等效電感、電動機的繞組電感和電動機的反電動勢，是引起附加尖峰擾動的原因。

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，可按實際情況進(jìn)行取舍[3]。

1）濾波法

功率電路中，一般均采用LC濾波方式，此時電感串在電動機回路，電容并聯(lián)在電動機引線兩端，此時電感通過的電流較大，引起其體積較大；電容充放電時，因為其等效電阻的存在，很容易發(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，與電動機的輸入端緊挨并聯(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。但是因為電容的瞬時充、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)需要臨時配置。

電容吸收是用無感電容并聯(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，其適用性尚待驗證。

3）短線傳輸法

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

3 試驗驗證

1）阻容式吸收網(wǎng)絡(luò)試驗結(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長線傳輸，加載于某一直流永磁力矩電動機時，從電動機端測量電動機兩端的電壓，其波形如圖6所示，對應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示；加入阻容吸收網(wǎng)絡(luò)后的電動機端電壓波形對應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 整型前電動機端電壓波形Fig.6 Waveform before adjusting

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

4 結(jié) 論

由試驗波形和數(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，獲得準(zhǔn)理想波形；所用電阻和電容的量值，需根據(jù)實際情況而定。

圖7 整理后電動機端電壓波形Fig.7 Waveform after adjusting

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

從PWM功率放大器+傳輸長線+附加網(wǎng)絡(luò)+電動機的整體構(gòu)成角度出發(fā)，對其進(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，實際測試結(jié)果，驗證了設(shè)計的可行性。

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