大功率功率放大器电路的设计.doc

大功率功率放大器电路的设计（全面版）资料
大功率功率放大器电路设计
大功率功率放大器电路设计
一. 设计理念及实现方式
(1)能推4Ω、2Ω等双低音的“大食”音箱以及专业类大粗音圈的各类专业箱。
(2)要省电、噪声小，发热量小。
(3)音质要好，能适合家居使用和专业使用。
第一点的实现就是要有大的推动功率。由于目前居室客厅面积有不断扩大的趋势，100W ×2以下功放已显得有些“力不从心”，所以本功放设计为4ΩQ时360W ×2，2Ω时720W ×2。
第二点的实现就是电路工作在静态时的乙类小电流，靠大水塘级电容和电阻进行滤波降噪，使功放级噪声极小。而电路的工作状态又决定了电路元件的发热量很小，与一般乙类电路相当。配备的大型散热系统是为了应付连续大功率、低阻抗输出时的安全、可靠。
第三点的实现是本功放板的主要目标。目前公认的是：甲类、MOS、电子管音质好，所以本功放要达到甲类、MOS、电子管的音质。
二.大功率输出的实现
要实现大功率，首先是电源容量要大。本功放配置的电源是在截面积为35mm ×60mm的环形铁心上绕制的环牛。一次侧为1.0mm线绕484圈，二次侧为
1.5mm双线并绕100圈。
整流为两只40A全桥做双桥整流，滤波为4只47000 uF电容 2只2.7kΩ电阻并接在正负电源上，使电压稳定在±62V。如电压过高可减小电阻到2.2kΩ，过低可加大电阻到3kΩ，功率用3W以上的。
除电源外，要实现大功率输出，特别是驱动“大食”音箱，要求功放输出电流能力要强，本功放每声道选用6对2SD1037管做准互补输出，可驱动直流电阻低达0.5Ω的“大食”音箱。所以4Ω时360W×2、2Ω时720W×2是有保障的。
三. 甲类、MOS、电子管音质的实现
目前人们公认的甲类、MOS、电子管的音质最好，所以本功放电路设计动态时工作于甲类的最佳状态，偏流随信号大小而同步增减，所以音质是有技术保障的。而在此工作状态下，即使更换几只一般的MOS管，对音质的提高也不明显。下面给出其原理图，如图1所示。从图1上可见到本原理图相当简洁，比一般乙类或甲乙类准互补电路还节省元件。而通过在电路板上改变一只电阻的接法就可方便地在本电路与准互补乙类或甲乙类之间变换。
四.绿色环保概念的实现
对本功放来说，实现低耗电、低噪声污染、低热辐射污染是通过以下措施实现的：
(1)本功放空载时只有小电流级工作，而功率管基极电压只有0.45V，基本上是截止的，所以比一般乙类耗电少，属节电型功放。
(2)本功放由于上述静态原理决定了低热量，所以热辐射很小。噪声更小，即使耳朵贴在音箱上也只能听到轻微“咝”声，比一般耳机噪声还小。

由于本功放板简而又简的走线，很容易手工制作。笔者用刻刀制作底板线条并在焊点上钻Φ1.2mm孔，用内径Φ0.8mm铜铆钉焊好，使本电路板这一技术载体成为了一项“纯土炮”级制作，而可双面焊接、反复焊接不会损坏电路板，为反复调整更换元件带来极大方便。两块“纯土炮”功放板如图2所示，4条功率管分流板如图3所示。元件参数列于附表。只要按图施工，零件合格，百试百灵，无任何可调电阻。

需要重点提示和指出的是：
(1)板上所用电解电容用国产CD26型即可，而不要用钽电容，以免影响层次感和高频。用发烧级电容更好。
(2)20pF反馈电容和300pF电容均用耐压100V国产云母电容，而不要用瓷片或涤纶电容，以免产生杂波和相移。
(3)0.047uF电容可用聚丙烯类品种，而不要用涤纶类，以免高频变散变软。
(4)所用晶体管都是常用品种，如用其他型号品种请注意元件参数和安全性。
(5)板上所有元件数值越精确越好，特别是电阻和配对使用的管子。
(6)由于末级使用了多达24只功率管，所以散热片应设置大形的。笔者每一臂管子(6只)用一条35mm×100mm×450mm的黑色铝合金散热器，并将其固定在一片由730mm×480mm铝板加工成的上盖板上，用4Ω或2Ω音箱放音时，一般音量下几小时后依然是“冷冰冰”。
(7)本功放所有数据测试均为DT890B数字万用表测得。
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D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s 　

大功率
串励直流电机控制器功率板散热设计分析
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收稿日期:2021-10-26改稿日期:2021-22-30
大功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析
王　程,周汉义,王海华
(合肥工业大学,安徽合肥230009
摘　要:在电机控制器的使用过程中,经常会由于电机控制器本身的过热保护,导致电动叉车不能按时按量的完成工作,特别是在环境温度较高的时候更是如此,从而严重影响了工作进度,为此,通过对电机控制器的重新设计改进,以及其影响散热的主要因素进行考察,最终验证电路板铜箔厚度才是影响电机控制器散热的最主要因素。
关键词:散热;功率板;电机控制器
中图分类号:T M 33　　文献标识码:A 　　文章编号:1004-7018(202112-0011-02
D esi gn and Ana lysis of Power Board Rad i a ti on for H i gh Eff i c i ency Ser i es of Exc it a ti on DC M otor
WAN G Cheng,ZHOU Han -yi,WAN G Hai -hua
(Hefei University of Technol ogy,Hefei 230009,China
Abstract:Mot or contr ollers often st op s working because its temperature is t oo high t o reach its te mperature of p r otec 2ti on,therefore,the work of electric f orklift can not be comp leted as scheduled,es pecially in the envir on ment of high te mpera 2ture .The p r ogress of work is seri ously affected .The most i m portant fact or of radiati on has been found after redesigning its mot or contr oller .Result of the experi m ent shows that the most i m portant fact or of radiati on is PCB board thickness of cooper f oil .
Keywords:radiati on;PCB thickness of cooper foil;mot or contr oller
0引　言
电动叉车用电机是2.2~8k W 的大功率串励
直流电动机,其控制器采用模拟电路设计,已得到广泛应用。该控制器分为控制板和功率板两部分。其中控制板中的温度保护、短接保护等各种保护电路保证了电机控制器在恶劣的情况下可以正常工作,并且不会损坏电池或者电机;功率板则包括了电流限制的取样电阻和反馈信号,最重要的是它承受着控制器几乎全部的电流和热量。如果功率板不能尽快地将热量散去,将会导致控制器内部温度迅速上升,很快达到温度保护电路的极限而进行保护,从而使电动叉车的使用效率大大降低,尤其在炎热的夏天更是如此。然而,目前系统研究关于决定功率板散热的主要因素和文献较少。
根据当前控制电动叉车行走电机控制器中功率板的热量如何及时散去的问题,我们进行了一系列的实验。由于电机控制器功率板正常工作状态下的平均工作电流能达到上百安培,瞬时电流甚至可以达到600A 。在45~48V 的工作电压下,大约有1~2k W 的功率消耗在电路板上,功率板的散热好坏决定了该控制器的质量。我们通过对控制器不同条
件下的实验,探讨了功率板散热的影响因素。
1影响功率板散热的一些因素
1.1散热底座
散热底座放置的位置以及其与被放置的平台所接触的面积和良好程度决定了底座的散热情况。另外,芯片与底座的接触是否良好也决定着最终散热的好坏。
1.2功率管的选择
常用的功率管有I RF3710、I RF B4710、I RF B4310。其中,I RF3710和I RF B4710是专用的电机控制器MOSFET 管。这三种芯片的主要区别如表1所示。表1　三种芯片的性能比较
I RF3710
I RF B4710I RF B4310导通内阻R DS /m
Ω2314 5.6~7.0漏极最大电流I D /A 57
75140线性降额因子/(W ・℃
-1
1.3
1.4
2.2
　　根据芯片资料的对比分析,得出的结论是,I RF B4310在所能承受最大电流方面明显优于I RF3710和I RF B4710,但是在随管壳温度升高的过程中,其所能承受的最大耗散功率也下降得非常迅速。1.3电路板铜箔厚度
铜箔的厚度对于电路板本身所能承受的电流和热量的大小起到决定性的作用。最常用的铜箔厚度在18μm ,较厚的大约在75μm 。而针对控制器中
的大电流和大功率的问题,我们采用了多种铜箔的

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大
功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析
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　厚度进行实验对比。2实验过程(400A,48V 规格的控制器
根据对电机控制器的规格要求,在正常情况下,控制器的平均输入电流应该可以保持在100A (环境温度25℃左右并持续较长的时间。而最大电流时候(平均输入电流为200A 则持续时间很短,即控制器内部温升很快,迅速到达温度保护电路中设定的
85℃。
实验就是依据这样一个工作标准,使用不同的功率管和电路板的不同铜箔厚度,通过对控制板电位器的调节,改变P WM 信号的占空比控制其工作电流的大小,以测试其是否可以满足规格要求,以及在功率板工作中,影响其散热良好程度的因素。2.1芯片采用I RF3710/I RF B4710/I RF B4310,铜箔厚度为175μm ,保持环境温度25℃
从图1中可以看到,在保持室温25℃,铜箔厚度为175μm ,整机持续工作的情况下,I RF B4710的承载电流明显比I RF3710大,而I RF B4310
所能承载的长时间工作电流则最小。这可能是因为I RF B4310管芯所能承受的耗散功率随管壳温度每升高1℃降低2.2W ,而I RF3710/I RF B4710则每升高1℃降低1.3/1.4W ,即随着芯片温度的升高,I RF B4310的带载能力也明显下降,管芯温度迅速上升,使得整机达到设定的保护温度从而停止工作。对比I RF3710/I RF B4710则因为其管芯所能承载功率随温度升高而发生的变化相差不大,综合导通内阻和最大漏极电流的因素,使得
I RF B4710的持续工作时间比I RF3710明显有所提升。
图1　功率管对持续工作时间的影响
由以上实验我们可以得出,功率管本身并不是
影响功率板散热的主要因素。

从图2中,我们可以明显地看到,铜箔厚度达到150μm 的实验数据明显要比铜箔厚度只有18μm 的数据好很多。在工作电流100A 时,150μm 的控制器的工作时间比18μm 的控制器提高了一半多,并且在100A 以下时,甚至都可以连续工作几个小
时都不会到达温度保护电路中限定的温度。
图2　铜箔厚度对持续工作时间的影响

从图3中同样可以看到,在功率管相同、环境温
度相同的情况下,175μm 铜箔厚度的实验数据明显比50μm 的数据好很多。在铜箔厚度为50μm 工作电流为140A 的情况下,I RF B4310只工作了25m in 便达到了温度保护设定的温度,而175μm 的铜箔厚度下,却可保持140A 的工作电流长达几个小时而并未达到应保护的温度。
图3　铜箔厚度对持续工作时间的影响
从以上数据可以看出,铜箔厚度对功率板的散
热效果起到了重要的作用。
3结　语
从实验数据可以看出,所研制的控制器满足实用要求,并且不同的MOSFET 管对控制器的工作效率有一定的影响,但是MOSFET 管本身的性能并不是功率板散热的主要因素,功率板的铜箔厚度才是对其散热起着主要作用的因素。参考文献
[1]　王水平,周培志,张耀进.P WM 控制与驱动器使用指南及应用
电路[M ].西安电子科技大学出版社,2005.
[2]　张琛.直流无刷电动机原理和应用[M ].北京:机械工业出版
社,1996.
[3]　I R 公司.
I RF3710[E B ].
htt p://www .datasheetcatal og .org/
datasheet/irf/irf3710.pdf .
[4]　I R 公司.I RF B4710,I RFS4710,I RFS L4710[EB ].htt p://www .
datasheetcatal og .org/datasheet/irf/irfb4710.pdf .
[5]　I R 公司.I RF B4310,I RFS4310,I RFS L4310[EB ].htt p://www .
datasheetcatal og .org/datasheets/400/284223_DS .pdf .
作者简介:王程,男,硕士研究生,主要研究方向为计算机在材料科学中的应用。

沈阳工业大学

信息科学与工程学院

设计题目：音响放大器
专业 ：
小组成员：

2021年11月29日

第一章 方案设计与论证

1．基本要求：
（1）正弦信号输入电压幅度为5～700mV，等效负载电阻为RL为8W条件下，应满足：
①额定输出功率POR ≥10W；
②带宽BW ≥50～10 000Hz；
③在POR下和BW内的非线性失真系数≤ 3%；
④在POR下的效率≥ 55%
⑤在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8W上的交流声功率≤10mW；
⑥整体电路的联调与试听。
（2）设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源

2．设计方案：
由于设计要求不是对单一信号频率实施放大，而是对一个输入电压变化幅度大（5—700mV）,频带范围宽（50—10000Hz）的频带信号实施功率放大，所以不能只从简单的功率放大上考虑，至少应从以下几方面作较为全面的考虑：
1、解决本设计的电路对信号源，尤其是信号幅度小的时候的影响。
2、要求对整个频带内不同频率成分，不同电压幅度信号都要均匀放大。
因此，本设计所要求的功率放大电路，应该是一个既能有效实施隔离，完成电路阻抗匹配；又能在所规定的频带内进行信号均衡放大额定一种实用型电路。所以将输入信号通过均衡电路处理之后，送入功率放大器，提升到所需的额定输出功率。
依据设计要求，我们可确定音响放大器的基本组成框图如下，电路由话音放大器、电子混响器、前置放大器、音调控制器、功率放大器以及稳压电源组成：

话音放大器：话音放大器的作用是不失真地放大音频信号。
电子混响器：电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。
混合前置放大器：混合前置放大器的作用是将音乐信号和电子混响后的声音信号混合放大。
音调控制器：音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。
功率放大器：功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL提供一定的输出功率。

第二章 各模块电路原理与仿真
1、话音放大器
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20K亦有低输出阻抗的话筒如（20欧，200欧等），所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到10KHz）。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。

放大倍数：160/20=8倍
电路图中A1组成同向放大器，具有很高的输出阻抗，能与高阻话筒配接作为话音放大器电路，其放大倍数Av=1+R12/R11=8.5倍（18.5dB），与仿真结果相似。四运放LM324的频带虽然很窄（增益为1时，带宽为1MHz）,但这里放大倍数不高，故能达到fH=10kHzd的频响要求。
2、电子混响器
电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，是声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。在“卡拉OK”伴唱机中，都带有电子混响器，如下图，其中集成电路BBD称为模拟延时器，其内部有由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。在外加时钟脉冲作用下，这些电子开关不断地接通和断开，对输入信号进行取样、保持并向后级传递，从而使BBD的输出信号相对于输入信号延迟了一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延迟时间越长。BBD配有专用时钟电路，如MN3102时钟电路与MN3200系列的BBD配套。电子混响器的实验电路如图，其中两级二阶低通滤波器（MFB）A1、A2滤去4kHz(语音)以上的高频成分，反相器A3用于隔离混响器的输出与输入间的相互影响。RP1
调节混响器的输入电压，RP2调节MN3207的平衡输出以减小失真，RP3调节时钟频率，RP4控制混响器的输出电压。途中MN3207与MN3102各引脚的电压如下：

引脚 1 2 3 4 5 6 7 8
MN3207的电压 0.0 3.2 0.0 5.6 6.0 3.2 2.6 2.6
MN3102的电压 6.0 3.2 0.0 3.2 3.2 3.2 2.8 2.6

3、混合前置放大器
混合前置放大器的作用是将音乐信号和电子混向后的声音信号混合放大，其电路如下图。这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为
V0= -{（Rf/R1）*V1+(Rf/R2)*V2}
式中，V1为话筒放大器输出电压，V2为放音机输出电压。

上述电路由运放A2组成，这是一个反向加法器电路，
4、音调控制器
音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升和衰减，中音频的增益保持0dB不变。因此音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。具体电路如下图，这种电路调节方便，元器件较少，在一般的收录机和音响放大器中经常用。

放大倍数：Avl = （RP31+R32）/R31= 11倍（20.8dB）

5、功率放大器
具体电路如下图，全部用分立元件晶体管构成，其中T1、T2组成差分放大器，用于驱动末级功放。晶体管T4、T5和T6、T7构成的互补对称OCL电路作为末级功放。推动对管2SD667与2SB647的B>80，fT>100MHz,Pc>500W;输出对管2N3055与MJ2955的B>80,fT>10MHz,Pc>20W,满足性能指标要求。

输入采用1000hz，振幅为100mVp.得到输出结果如左图所示，通道1为输出，电压-3.5~6V.通道2为输入波形,电压-182~182mV。得到放大倍数为
（6+3.5）/0.364=25倍
6、稳压电源设计
根据设计电路的要求，我们设计了配套的电源，采用78系列和79系列的稳压芯片，得到了符合要求的电源

第三章 总结感想
通过此次电子技术技能大赛，我经历的是从理论到实践，从迷茫到热情的改变。在设计中，我一次次的遇到困难，学习知识，解决困难，收获多多。
设计并不是想象中的那样简单。这需要熟练掌握书本的基础知识，还要翻越相关参考资料，熟练操作计算机，使用Mutlism仿真方案的正确性，使用Protel画原理图和PCB图，这一切都需要一点点的学习。还有之后的焊接过程，原本我们想制作PCB电路板来进行焊接，这样既准确又美观，可是由于制版成本过于高，超出我们的经济能力范围，于是我们选择了手工焊接，这个过程是需要过高的耐心和手法，还要清楚各种芯片的引脚和功能，以及整体电路的布局和调试。画PCB版图时遇到了很大的困难，各个引脚的封装，整体电路的布局、布线，幸亏坚持住了，也成功了。

附参考文献
1、《模拟电子技术基础》 童时白 华成英 高等教育出版社
2、《电子线路设计 实验 测试》 谢自美 华中科技大学出版社
3、《电子电路实验与仿真》 路勇 清华出版社
4、《Multisim 10 电路仿真及应用》 张新喜 机械工业出版社
5、《精通Protel 99se》 杰诚文化 中国青年出版社
6、《音频功率放大器设计》 家庭影院技术杂志社
7、《模拟电子线路》 郑应光 东南大学出版社

附录（PCB原理图）：
1、话音放大与前置放大器

2、电子混响器PCB原理图

3、音调控制器PCB原理图

4、功率放大器PCB原理图

5、总电路图

6、生成的PCB版图

7、3D效果图

2021年11月28日
大功率高压超快GaAs光电导开关

利用超快脉冲激光器与光电导体相结合形成的一类新型器件 ¾ 半导体光电导开关具有独特的性能：快速响应（皮秒上升/下降时间）、GHz的重复率、无触发晃动、寄生电感、电容小、触发隔离、动态范围大，结构灵活（适配于各种传输线结构）等。加上其耐高压及大的电流承载能力使之不但在超高速电子学而且在大功率电脉冲产生与整形技术领域成为传统开关（间隙放电、闸流管及结器件）的换代器件。在大功率脉冲源、超宽带探地雷达、超宽带通信、THz成像与检测技术、电子干扰与电子对抗、高功率脉冲点火等系统中具有广泛的应用。本开关采用全固态透明介质绝缘封装，具有体积小，功率容量大的特点。技术指标为：

PCSS实物照片，外形尺寸48´48mm

耐 压： 20kV
电 流： 100A~500 A（脉冲峰值）
开通时间： ns~ps (电流脉冲上升时间)
重复频率： KHz~GHz
脉冲宽度： ns~亚ns
绝缘方式： 全固态多层透明介质
输出连接： 微带过渡同轴输出

四川工业学院学报J ou r nal of Sic h ua n I ns t i t u t e of Tec h nology
1997;vol 16　No.2∶1~3
收到日期:1996年5月28日
3张永相,四川工业学院机械工程系,成都, :611744
大功率步进电机驱动
张永相3　邓成中　王立新
　　　机电工程教研室　　　　　成都393信箱
摘　　要
本文通过大型车床的数控改造实践,论述了大功率步进电机驱动电源中脉宽调制
斩波和专用大功率驱动器件的问题。
关键词:步进电机;脉宽调制(PWM ;功率场效应晶体管(MOSFET
中图分类号:TM34;TM38314
0　概　　述
近年来,随着步进电机及其驱动性能的逐步提高,它在自动化领域的应用也愈来愈广泛。在步进电机驱动电源上,一方面由于采用了高压驱动、细分技术以及最佳升降频控制,步进电机接近于连续运行,大大提高了快速性和运动精度,使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;而另一方面,又由于大功率电力电子器件及其驱动技术的进步,使功率步进电机同时又朝着大功率应用领域发展,大型机床的经济型数控便是其中之一。在大型机床的经济型数控改造技术中,采用脉宽调制(PWM 斩波恒流控制,再配上MOSFET (功率场控晶体管,能实现大功率步进电机的高频高效驱动,并具有低成本和高可靠性。
据有关调查及对大型车床的数控改造实践表明:采用(PWM +MOSFET 的驱动方式,反应式步进电机的静力矩可达40N ・m ,混合式步进电机静力矩可达80N ・m ,采用滚珠丝杆条件下的最高运行速度可达10m/Min ,步进电机完全可以应用于低成本大功率驱动场合。
1　基本原理
通常高压斩波恒流驱动电路如图1示。这种电路与单电压限流型及高低压驱动相比,步进电机绕阻电流波形的前后沿陡,无顶部下凹的现象,并且在高频大负载时仍具有较宽的平顶(不下凹,绕阻负载电流也较为恒定,起动和运行的频率特性都有明显的提高。绕阻单相通电的电流波形如图2a 所示。但是,在实际驱动电路的测试中,采用多相通电(步进电机带载运动时,由于步进电机绕阻电流顶部的锯齿波形波动频率较低(效率一般为几kHz 到十几kHz ,与步进电机型号、驱
动电压、驱动电流有关,故电磁噪声较大。同时,由于运行中步进电机各相绕阻的电感不可避免会发生瞬时变化,以及它们的互感作用,各相绕阻电流会产生局部过冲现象。对于三相步进电机按三相六拍驱动时,其绕阻电流波形如图2b 所示,出现2~3个过冲现象。对于大功率步进电机,这种过冲电流是极其有害的,它使步进电机绕阻异常发热,驱动力矩不够,系统极有可能发生振荡

。
图1　高压斩波恒流驱动原理　　　　　　　　　　图2　步进电机一相绕阻电流波形图
要消除这种电磁噪声及步进电机绕阻电流局部过冲现象,一般可采用MOSFET 场控晶体管,允许将斩波频率提高到超声波段,并采用FWM 技术使各相斩波频率相同来消除差拍噪声。在设计应用中,斩波频率一般应比由环形分配器或单片机输出的步进驱动脉冲频率高10倍以上。在后级功率驱动中,如果采用大功率晶体管开关管来设计,由于它们的工作频率较低,一般最高的频率仅有106Hz ,且它们所要求的驱动功率也较大,驱动线路也较复杂。在晶体管的安全工作区如果选择裕量较小,通常要发生二次击穿。
图3　MOSFET 专用器件的原理简图
MOSFET 是一种单极控制器
件,其开关频率远比达林顿功率管
和大功率三极管高,最高可达109
Hz 。并且,MOSFET 的输入阻抗很
高,具有自关断能力,电流放大倍
数大,无二次击穿问题,这使MOS 2
FET 安全工作区宽,可设计较大的
功率。在后级功率放大电路中,采
用MOSFET 设计大功率步进电机驱动电源是一个理想的选择。设计MOSFET 的驱动线路,通常采用MOSFET 专用驱动器件,其原理简图如图3所示。前极采用高速光电隔离,后极采用NPN 和PNP 三极管互补输出,提高了MOSFET 驱动电路的快速性。
MOSFET 的开关频率由时钟信号CP 触发PWM 控制器来实现,各相开关频率受同一时钟信号控制,从而达到了各相的同频斩波。(PWM +MOSFET ,步进电机驱动电路原理如图4所示:由环形分配器或单片机输出的步进电机步进脉冲信号进入PWM 控制器,经PWM 控制器处理后分成两路:一路送入上开关管T 1,使T 1导通;一路送入下开关管T 2,使T 2导通。R 4为电流检测电阻。当步进电机绕阻达到额定值时,其电流值通过电流/电压转换,输出一控制电压进入PWM 控制器。PWM 控制器输出一调宽脉冲改变上开关管的开通时间,从而达到绕阻恒流的目的。另外,PWM 控制器可对步进电机绕阻电流上升速率作检测,从而防止绕阻电流过冲现象。在图4中,由R 1、D 2、C 1组成的阻容滤波网络保护T 1管,由R 2、D 3、C 2组成的阻容滤波网络保护T 2管,放电回路
2四川工业学院学报　　　　　　　　　　　　　　1997年
图4　(PWM +MOSFET 步进电机驱动电路原理图中D 1、D 4必须选用快恢复续流二极管,适当选
择R 3可使步进电机绕阻电流下降沿变陡。这
种电路在实际测试中,波形非常好,其波形如图
2c 所示。在实际使用中,PWM 控制器还有半电
流控制端CY ,使步进电机在静止时以半电流锁
定,以减少发热,降低功耗。2　应　　用
上述驱动电源在对C650及落地车床的经
济型数控改造中,应用一年多情况良好。Z 向步进电机选用LB180(静力矩40N ・m ,相电流调
至23A ,X 向步进电机选用LB150(静力矩20N ・m ,相电流调至18A ,在X 向未采用滚珠丝杆情况下(无该规格的滚珠丝杆,空载运行实测能保持0101mm 的步距精度。在加工铸钢件时,吃刀深度18mm 时也不丢步。在三班制工作时,性能也保持相当稳定。可见,(PWM +MOSFET 是一种优良的大功率步进电机驱动电源。
3　结　　语
交、直流伺服电机并不是大功率数控驱动的唯一选择,采用脉宽调制(PWM 斩波恒流控制和功率场效应晶体管(MOSFET 的步进电机驱动,完全可以应用于大型机床的经济型数控改造中,并且有良好的可靠性,但进一步提高大功率步进电机驱动的快速性和精度,还有待后继续研究与实践。
参　考　文　献
[1]余永权等1单片机应用系统的功率接口技术1北京:航空航天大学出版社,1992
[2]符友方1提高步进电机高频力矩的方法1机械与电子,1992,(4
・CH ・
Driving Using High -Torque Pow er Stepping Motors
Zhang Y ongxiang 　Deng Chengzhong
Teaching &Research Section of Mechatronics 　　Wang Lixin Postbox 393Chengdu
Abstract :Through the practice of CNC remoulding for a heavy lathe ,this paper discusses the problems about PWM and exclusive devices for high -torque power driving of driving power source for high -torque power motors 1
K ey Words :stepping motor ;pulse width modulation ;MOSFET
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第16卷第2期　　　　　　　　　张永相等:大功率步进电机驱动