单电源放大电路

用于驱动微型永磁同步电机的单电源供电放大电路分析郑璐 黄声华华中科技大学(430074）摘要：本文提出了一种用于驱动微型永磁同步电机的单电源供电放大电路，将其与双电源供电放大电路进行了比较，分析了电路并给出了电路设计方法。文中还给出了PSPICE仿真波形以及实验波形,结果表明电路能正常工作。关键词：放大电路，单电源，PSPICE，仿真An analysis on Single Power Supply amplified circuit of Permanent Magnet Synchronous MotorZhenglu Huangshenghuahuazhong university of science and technology(430074)Abstract: In this paper the research is about the single power supply amplified circuit of Permanent Magnet synchronous motor, and the compare of the dual power supply amplified circuit with it. The circuit has been analyzed and the design method has been described. The simulation wave of pspice and the wave of experiment could also been read in the thesis. The result shows the circuit operates normally.Keywords: amplified circuit, single power supply, PSPICE, simulation1. 引言永磁同步伺服电动机主要由转子和定子两大部分组成。在转子上装有特殊形状的永磁体，用以产生恒定磁场。转子上的永磁材料可以采用铁氧体或稀土永磁材料。高性能而价格适宜的永磁材料，为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。由于转子上没有励磁绕组，由永磁体产生磁场，因而不需要引入励磁电流，电机内部的发热只取决电枢电流。在电动机的定子铁心上绕有三相电枢绕组，接在可控制的变频电源上。在结构上，定子铁心直接裸露于外界空间，因此散热情况良好，也使电动机易于实现小型化和轻量化。线性放大器主电路具有输出波形谐波含量低、电磁兼容性好等优点，特别是在微小功率（100W）的电机驱动中有较大的优势。考虑到驱动伺服系统的转速精确度及电磁兼容性的要求，所以我们采用线性放大器主电路并加以合理设计的滤波电路，使系统的电磁兼容性满足要求。线性放大电路的示意图如图1所示，其中Ig*表示电流的给定量，If表示电流的反馈，两者相减之后通过电流调节器，再经过功率放大电路直接加在电机的定子上。线性放大主电路包含两部分，一部分是电流闭环调节，包括电流采样和电流调节器。另外一部分是功率放大，两部分都是用硬件来实现的。图1 线性放大主电路示意图电流调节器一般采用P调节。由于采用硬件来实现，电流环的响应很快，和速度环和位置环的时间常数相比电流环的响应时间基本上可以忽略，这简化了我们后面的控制环路的分析。功率放大部分用来放大电流信号，放大倍数要根据实际系统的要求来选取。功率放大电路一般用功率运算放大器来实现，功率运算放大器要根据电压、电流、封装、功耗等的要求来选取。目前市场上有很多种功率运算放大器可供选择，如TI（如OPA548、OPA549）、Apex（如PA92、PA94）等的产品。2.线形放大电路结构特点分析2.1双电源供电时电路结构特点如果功率放大部分采用的是双电源供电，电流可以直接通过采样电阻得到，电路的接线方法如图2所示。图2 放大电路双电源供电时的接线方法此时控制电路、线性放大主电路和电机都是共地的。电机定子绕组要引出六根线，分别为A、X、B、Y、C、Z，定子三相绕组最后接成星型，中性点需要引出来和控制和驱动电路的地接到一起。放大电路原理图如图3所示，我们可以把这个电路看作两级组成。电路的第一级为电流采样，第二级为电流调节器和放大电路。第一级的放大倍数由采样电阻R3以及R2和R1的比值确定，第二级的放大倍数由电阻R5和R6、R7的比值确定。图3 双电源供电时放大电路的原理图采用双电源供电时的电流采样简单，而且加到电机上的电压高，电机本体的设计也容易些。其缺点是需额外设计电源，而且在有些场合满足不了散热的要求。2.2单电源供电时电路结构特点在有些场合，对于电源的使用的要求很严格，而且要求散热板面积较小，这时候功率放大电路就要采用单电源供电。由于单电源供电时，功率放大器输出的是单极性的相电压，电流不能直接通过取样电阻得到。在这种情况下电机定子绕组只需要引出三根线A、B、C，另外一端X、Y、Z直接在电机内部接成星型。取样电阻要通过差分放大电路才能得到具体的电流数值，具体的接线方式如图4所示。图4单电源供电时放大电路接线方法由于功率放大器采用单电源供电，其输入电压必须位于零点之上。于是我们必须将双极性的电压进行偏移并使其位于零点之上，原理图如图5所示。 图5单电源供电放大电路原理图Ig为电流给定，If为电流反馈。放大电路可以看成由四级放大电路组成。第一级放大电路用来将给定电流和采样电流进行比较，放大倍数由R13和R6、R9的比值决定。第二级放大电路的作用是将交流电压偏移至零点之上，从而保证功率放大器能够正常工作。其放大倍数由R14和R8、R10的比值决定。第三级是功率放大电路，放大倍数由R3和R2的比值决定。第四级是差分放大电路，用来获得采样电阻上电流数值。采用单电源供电不用额外设计电源，但电路相对复杂，而且偏移电压的数值不易确定。3PSPICE仿真仿真电路图如图5所示，因为PCPISE元件库中没有元器件OPA548T，用OPA547代替。其功能和OPA548T基本相同，最大峰值电流为750mA。定子每相的阻抗用5欧的电阻和10毫亨的电感来代替，输入电压由正弦电压源给出。电压源幅值Vaml设为5V，频率FREQ设为50，偏移量VOFF设为0，相位PASH分别设为-120，0，120。以R=2K代替输入电压和放大电路之间的阻抗。为便于分析，以上电路中设置R6=R9=R10=R13=R14=1K，R8=12K，R2=10K，R3=47K，R4=R5=10K，R1=R7=51K，采样电阻R11设为0.4，限流电阻R12=1K。 仿真波形如下：图6 定子相电压仿真波形图7 定子线电流仿真波形4. 实验结果实验采用单片机和DA以及必要的外围电路产生正弦电压作为放大电路的输入，微型永磁同步电机作为负载，所得输出波形如下：图8 定子相电压波形图9 定子线电流波形5.结论单电源供电和双电源供电放大电路各有优缺点。在对电路的散热，电源要求比较严格的时候，我们可以使用单电源供电。在设计过程中，为保证放大电路能够正常工作，应选取适当偏移电压，防止功率放大器输入电压低于零点以及输出饱和，即偏移电压既不能过大也不能过小，应根据电路适当选取。参考文献:1王远.模拟电子技