PWM型功率放大器长线传输波形整型

王 刚，柳秋兴，宋晓明，柳井莉

（1.海军驻西安二十所军事代表室 陕西 西安 710068；2.西安应用光学研究所 陕西 西安 710065）

PWM型功率放大器，因其效率高、体积小，重量轻，即功率密度大等原因，广泛应用于电动机的驱动等场合[1]。

PWM型功率放大器的输出，是一种频率固定，占空比可连续调节变化的脉冲信号[2]。由于：长线（功率放大器与负载之间的连接导线，具有等效电阻和等效电感）传输；以及PWM型功率放大器的布板；功率元器件、滤波电容器的选型及容值（容值与负载电流相关、额定电压与功率电源电压相关）的选择；开关死区等的影响，从负载端（电动机输入端）测量时，调宽脉冲的上升沿和下降沿均会附加上一个振荡衰减型的尖峰干扰，可能会对电动机或其它设备造成干扰、损伤甚至破坏，因此必须对该输出信号进行波形整型，剔除尖峰干扰，恢复为近似理想波形。

1 形成尖峰干扰的原因

工程实际中的高电压、大电流型PWM波，在其上升沿和下降沿可能附加振荡衰减型尖峰干扰（如图1所示）。而与之相对应的近似理想波形（如图2所示）。

具有PWM型功率放大器、传输长线、吸收和滤波网络、电动机的等效电原理图如图3所示（图中虚线内部分为附加的吸收网络）。

图3中：

图1 带有尖峰干扰的脉宽调制波形Fig.1 Waveform with spike pulse

图2 理想的脉宽调制波形Fig.2 Perfect waveform

图3 功放、长线、附加电气网络、电动机网络Fig.3 Amplifier，long cable，motor net

可知

令

即去掉图3中的虚线部分，有

此外，忽略长线的等效电阻和等效电感的影响，即

有

功率放大器的等效电阻R0与电动机的直流等效电阻Rm满足关系式

即有

由（2）式、（4）式可知，传输长线的等效电感、电动机的绕组电感和电动机的反电动势，是引起附加尖峰扰动的原因。

2 干扰尖峰的剔除

调宽脉冲上附加的尖峰干扰的剔除，从原理上来讲，有3类方法：一种是吸收，另一种则是滤波，最后是短线传输法。3种方法各有优缺点，可按实际情况进行取舍[3]。

1）滤波法

功率电路中，一般均采用LC滤波方式，此时电感串在电动机回路，电容并联在电动机引线两端，此时电感通过的电流较大，引起其体积较大；电容充放电时，因为其等效电阻的存在，很容易发烫[4-5]。因此，这种方法一般不可取。如图4所示。

图4 LC滤波网络Fig.4 LC filter network

2）吸收法

吸收一般采用2种方法，阻容网络吸收和电容吸收。

阻容网络吸收，是将串联的电阻和电容，与电动机的输入端紧挨并联。如图5所示。

图5 阻容吸收网络Fig.5 Absorbing net

实际上，阻容网络吸收中，仅低ESR电容即可形成回路，吸收尖峰干扰。但是因为电容的瞬时充、放电电流很大，致使其温度很快升高。串入电阻的目的即使为了减小瞬态电流，降低温升。

阻容吸收网络，虽然结构简单，所需元件数目较小，但其普适性较差，其参数需要临时配置。

电容吸收是用无感电容并联紧挨PWM功率放大器。因该电容的体积较大，一般不予采用，另外，其适用性尚待验证。

3）短线传输法

将PWM功率放大器尽可能地靠近电动机，减小传输距离，是去除尖峰干扰的最直接的方法[6]。

3 试验验证

1）阻容式吸收网络试验结果

当以功率转换电源电压为80 V。4 kHz的PWM载波频率，经50 m长线传输，加载于某一直流永磁力矩电动机时，从电动机端测量电动机两端的电压，其波形如图6所示，对应数据如表1所示；加入阻容吸收网络后的电动机端电压波形对应数据如表2所示。

图6 整型前电动机端电压波形Fig.6 Waveform before adjusting

表1 阻容吸收网络加入前的电动机端电压波形Tab.1 Absorbing network before joining motor terminal voltage waveform

4 结 论

由试验波形和数据数据，可以得出以下结论：加入阻容式吸收网络后，基本去掉尖峰扰动，获得准理想波形；所用电阻和电容的量值，需根据实际情况而定。

图7 整理后电动机端电压波形Fig.7 Waveform after adjusting

表2 阻容吸收网络加入后的电动机端电压波形Tab.2 Absorbing network was added after the motor terminal voltage waveform

从PWM功率放大器+传输长线+附加网络+电动机的整体构成角度出发，对其进行了理论分析，给出可能引发波形畸变的因素，并给出了几种解决方法，实际测试结果，验证了设计的可行性。

[1]尔桂花，窦曰轩.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2002.

[2]胡寿松.自动控制原理[M].北京：国防工业出版社，1994.

[3]郭贵莲，崔志强，盛光中.空间矢量PWM算法及波形分析[J].三峡大学学报，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]王红红，王刚.光电跟踪系统电流控制环路研究[J].应用光学，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.一种基于PWM控制的温控系统及其参数自整定[J].自动化与仪表，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]张崇兴，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.