脈寬調(diào)制功率放大器SA03在電機控制中的應(yīng)用

摘要：SA03是由美國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，給出了SA03的直流電機雙環(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。在電機控制系統(tǒng)中，干摩擦是影響系統(tǒng)性能的一個主要因素，它一方面會造成系統(tǒng)靜態(tài)誤差，另一方面，在系統(tǒng)低速運行時還會引起跳動。在采用PWM控制時，電機一般處于微振狀態(tài)，這樣就起到了“動力潤滑”的作用，從而減小了摩擦力矩以及靜、動摩擦力矩之差，因此，該微振是避免產(chǎn)生低速跳動的重要途徑，有利于提高整個系統(tǒng)的動態(tài)性能和低速運行時的平穩(wěn)性。

SA03是由美國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。時鐘輸入級可將內(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。通過直接檢測基體溫度可防止H橋輸出MOS場效應(yīng)管過熱。

SA03功能強大，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。時鐘進入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。外部時鐘信號可加在CLK IN引腳以同步多個放大器，如果頻率低于45kHz，可在-PWM/RAMP端外加一個電容，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)動器時，如果+PWM>-PWM，那么，A OUT>B OUT。此時，產(chǎn)生PWM信號的運行控制處理器能夠用參考于地的信號來驅(qū)動這些管腳。

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

SA03有兩個負載電流取樣端I SENSE A和I SENSE B。采用電壓型控制時，這兩個端子應(yīng)短接。而采用電流型控制時，這兩個端子必須外接取樣電阻，取樣電阻應(yīng)選用無感電阻，圖2給出了這兩個端子在電流控制時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作，否則可能不穩(wěn)定并降低效率，而且在輸出端可能會有過多的振蕩。Vs應(yīng)當(dāng)用至少1μF的陶瓷電容和另一個低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。連線較長也將引起輸出端過多的振蕩。SA03對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。為了使電路產(chǎn)生無限的100%循環(huán)周期，每個半橋電路的低邊必須預(yù)先設(shè)置在開狀態(tài)。這就是說：如果在啟動時輸入給SA03的信號要求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)。此時三角波必須在輸入信號的某點穿越輸入信號來正確地確定輸出狀態(tài)。

3 SA03在電機控制中的應(yīng)用

由于PWM在電機控制中有著顯著的優(yōu)點，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具有電流保護和限制功能，因此更適宜采用電流環(huán)。因為這樣可以保護器件；更重要的是，可以充分利用器件的性能來提高整個系統(tǒng)的效率，以使系統(tǒng)以最大的加速度啟動，并以最大加速度制動，從而提高系統(tǒng)的快速性和動態(tài)性能。

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

在反饋控制中，應(yīng)當(dāng)注意極性問題以確保負反饋。由于在+PWM>-PWM時，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，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間使振蕩器工作，這相當(dāng)于給SA03加一擾動來使放大器可靠地啟動。其雙環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖3所示。