脉宽调制功率放大器SA03在电机控制中的应用

    摘要：SA03是由美国APEX公司生产的高性能脉宽调制功率放大器。文中介绍了SA03的基本特性和应用注意事项，给出了SA03的直流电机双环调速系统中的应用系统框图。

    关键词：脉宽调制 滤波 旁路 控制 SA03

1 概述

脉宽调制功率放大器（PWM）通常工作在开、关状态，而且其功耗低、效率高、频带宽、线性好。在电机控制系统中，干摩擦是影响系统性能的一个主要因素，它一方面会造成系统静态误差，另一方面，在系统低速运行时还会引起跳动。在采用PWM控制时，电机一般处于微振状态，这样就起到了“动力润滑”的作用，从而减小了摩擦力矩以及静、动摩擦力矩之差，因此，该微振是避免产生低速跳动的重要途径，有利于提高整个系统的动态性能和低速运行时的平稳性。

SA03是由美国APEX公司生产，由伟健电子有限公司代理的高性能脉宽调制功率放大器。它可为负载提供3000W功率。由于其内部自带45kHz振荡器，因而不需要外部元件。时钟输入级可将内部振荡频率二分频，从而提供22.5kHz的基准开关频率，也可以使用外部振荡器来降低开关频率或同步多个放大器。H桥的每半边都带有电流传感器，可用于给出幅值和方向信息。关断端可关掉H桥的输出驱动器。利用高压边电流限制和可设定的低压边电流限制，除了可防止负载短路之外，还可防止放大器与电源或地短路。通过直接检测基体温度可防止H桥输出MOS场效应管过热。

SA03功能强大，使用一片SA03可取代原来大功率晶体管构成的功率模块形成整块PWM放大器印制板。SA03的外形和引脚排列如图1所示。

2 基本功能特性

图2是SA03的内部结构和外部基本连接电路。SA03的内部时钟频率大约是45kHz，一般情况下，CLK OUT引脚直接连接到CLK IN引脚。时钟进入LCK IN后被二分频并加到RC网络上，从而在-PWM/RAMP引脚产生三角波。外部时钟信号可加在CLK IN引脚以同步多个放大器，如果频率低于45kHz，可在-PWM/RAMP端外加一个电容，以使该端电路和内部电容相并联。但选择该电容必须使得三角波振荡具有4V的峰-峰值，且低边幅值高于地电平3V以上。

在通过PWM输入比较器使用全桥驱动器时，如果+PWM>-PWM，那么，A OUT>B OUT。此时，产生PWM信号的运行控制处理器能够用参考于地的信号来驱动这些管脚。

    SA03内含保护电路，因此，在任一输出脚对地短路或器件温度超限时，高压边限流电路都会将输出晶体管封锁，直到故障排除后再重新复位。

SA03有两个负载电流取样端I SENSE A和I SENSE B。采用电压型控制时，这两个端子应短接。而采用电流型控制时，这两个端子必须外接取样电阻，取样电阻应选用无感电阻，图2给出了这两个端子在电流控制时的取样电阻连接方法。

为SA03供电的电源应当有充裕的旁咱来保证其正确运作，否则可能不稳定并降低效率，而且在输出端可能会有过多的振荡。Vs应当用至少1μF的陶瓷电容和另一个低ESR的至少10μF的并联电容来旁路。开关应用是选择电容类型唯一要考虑的。旁路电容应当直接连到电源供电端。连线较长也将引起输出端过多的振荡。SA03对Vcc电源旁路的要求虽然不是很荷刻，但最好用0.1μF～0.47μF的陶瓷电容进行旁路。

所有N沟道输出桥电路的高压边均可由自举电路和泵荷电路驱动。为了使电路产生无限的100%循环周期，每个半桥电路的低边必须预先设置在开状态。这就是说：如果在启动时输入给SA03的信号要求100%的周期循环，那么，输出可能未跟随命令且可能在三态状态。此时三角波必须在输入信号的某点穿越输入信号来正确地确定输出状态。

3 SA03在电机控制中的应用

由于PWM在电机控制中有着显著的优点，因而可得到广泛的应用。控制系统较多要用位置、速度、电流三环结构。由于SA03具有电流保护和限制功能，因此更适宜采用电流环。因为这样可以保护器件；更重要的是，可以充分利用器件的性能来提高整个系统的效率，以使系统以最大的加速度启动，并以最大加速度制动，从而提高系统的快速性和动态性能。

在使用外加时钟且频率低于45kHz时，-PWM/RAMP端的外加电容值基本上和振荡频率成反比。一般在使用时可在一定值范围内稍试几次，以使该电容值达到最佳。

在反馈控制中，应当注意极性问题以确保负反馈。由于在+PWM>-PWM时，A OUT>B OUT。因此，应理顺各环节的输出极性，以便形成负反馈。