微型电动机三相梯形波变流电源设计

李峰 潘强玉

摘要：设计了工作电压为30 V的微型电动机三相梯形波变流电源。通过合理设置具有移相功能的正弦波振荡电路的参数，使其成为具有移相功能的梯形波振荡电路，输出一个单相梯形波。由3个相同的具有移相功能的梯形波振荡电路组合在一起，输出三相对称的梯形波。同时采用EWB软件对微型电动机三相梯形波变流电源进行了仿真验证。

关键词：微型电动机;变流电源;三相梯形波;EWB

0 引言

随着电子技术、计算机技术和控制技术的迅速发展，微型电动机已被广泛应用于电子信息领域。微型电动机技术与现代电子技术结合，凸显出机电一体化趋势。特别是大功率集成驱动器和微处理机在微型电动机驱动与控制中的推广应用，使微型电动机向集成化、智能化方向发展。微型电动机可以在无特殊控制要求的驱动场合作为运动机械负载的动力源，也可以用于音像设备及办公自动化设备、计算机外部设备和工业自动化设备中。

与正弦波和方波驱动电源相比，用于微型电动机的梯形波驱动的变流电源，具有转换效率高、节能效果明显、波形对称度好、波形失真度小和谐波分量小的特点。本文设计的微型电动机三相梯形波变流电源电路，可实现将直流电转换成可移相的三相梯形波交流电，并采用现代工程软件EWB进行仿真验证。设计指标为：输入直流电压30 V，输出方波电压14 V，频率500 Hz，输出电流200 mA，三相电压不对称度2%，频率稳定度10-2～10-3，正弦波失真度1%。

1 梯形波变流电源的参数设计

1.1    正弦波振荡电路产生正弦波振荡的条件

要使正弦波振荡电路在输出端产生一定幅值的稳定正弦波，需引入正反馈，且当输入量为0时，反馈量等于净输入量，即：

幅值条件表示反馈网络要有足够的反馈系数才能使反馈电压等于所需的输入电压。

相位条件表示反馈电压在相位上要与输入电压同相，它们的瞬时极性始终相同，也就是说，必须是正反馈。

1.2    微型电动机单相梯形波变流电源的幅频特性与相频特性

根据反相放大电路电压增益A的定义，有如下关系式：

此时可以使移相式微型电动机单相梯形波变流电源输出一个较输入电压有120°相移且能够持续振荡的正弦波电压信号，要产生梯形波振荡，必须要求移相式微型电动机单相梯形波变流电源电路中的运算放大器工作在非线性区，也就是增益A（ω）>1。

2 梯形波移相放大电路的设计

为了在正弦波移相放大电路的输出端得到一个梯形波，正弦波移相放大电路中的运算放大器就要工作在非线性区。当运算放大器工作在非线性区时，运算放大器的输出电压Uo就是运算放大器正常工作时所提供的正、负电源电压，而不再随运算放大器的输入电压Ui的增大而线性增加，正弦波移相放大电路就输出一个梯形波。

单相梯形波变流电源电路如图1所示，将前一个梯形波移相电路的输出信号波形接到后一个梯形波移相电路中的运算放大器LM741的负极性信号输入端，将最后一个梯形波移相电路的输出信号波形接到第一个梯形波移相电路中的运算放大器LM741的负极性信号输入端，从而构成一个闭环电路，实现如图2所示的输出相位各相差120°的三相对称的梯形波。

3 三相梯形波变流电源仿真

EWB软件具有功能强大的窗口界面。当启动EWB后，将出现工作窗口，可以显示多个不同的使用区域，包括菜单（menus）、电路工具栏（circuit toolbar）、电路零组件工具栏（parts bin toolbar）等。在EWB工作窗口中，对电动机梯形波变流电源电路图进行编辑、模拟及波形分析。U相和V相、V相和W相的仿真波形如图3、图4所示。

4 结语

本文根据设计指标，确定了微型电动机三相梯形波变流电源电路的各参数值，设计的微型电动机三相梯形波变流电源的输入直流电压为30 V，输出三相梯形波电压为14 V，频率为510 Hz，输出电流约为200 mA，三相电压不对称度小于2%，频率稳定度为10-2～10-3，达到了设计指标。采用EWB软件，对微型电动机三相梯形波变流电源进行了仿真研究，给出了设计微型电动机驱动电源的快捷方法，可在虚拟环境下调整电路参数，以满足微型电动机的驱动电源对电流、电压和频率等指标的要求。

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收稿日期：2020-06-03

作者簡介：李峰（1976—），女，甘肃靖远人，副教授，研究方向：工业自动化。