一種應用于天線的pwm功率放大器的制造方法
【專利摘要】一種應用于天線的PWM功率放大器，把旋轉控制信號變換成放大的電功率，以驅動電機旋轉。該功率放大器采用PWM脈寬調制模式，天線伺服系統(tǒng)采用電壓、速度和位置三閉環(huán)控制系統(tǒng)。功率補償模塊作為功率放大器方位軸的并聯(lián)補償輸出端口，以增加方位軸的驅動能力。一套功率放大器有三條獨立的功率放大通道，即方位通道、俯仰通道和橫滾通道，分別對控制信號進行PWM功率放大輸出，最后，輸出到方位、俯仰和橫滾三個直流伺服電機上。這樣，一套功率放大器完全適應雷達天線三個方向伺服控制，從而簡化天線控制系統(tǒng)的設計。
【專利說明】—種應用于天線的PWM功率放大器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及放大器領域，具體說的是一種可應用于各種類型的雷達天線，衛(wèi)星通信天線，動中通衛(wèi)星天線等的PWM功率放大器。
技術背景
[0002]目前，對于大功率電機調速系統(tǒng)，主要是以增大單個功率管功率的方式實現(xiàn)，但是大功率開關管，尤其是國產大功率開關管，由于制造工藝復雜、制造困難、可靠性差、成本高，因此，國產大功率開關器件的應用受到了一定限制。此外，現(xiàn)有PWM功率放大器主要是微控制器軟件方式，可能出現(xiàn)程序死機現(xiàn)象。
[0003]在現(xiàn)有放大器中利用的H橋可逆PWM變換電路工作模式:雙極模式電流脈動大，存在零位震顫現(xiàn)象，利于克服靜摩擦，需要避免同臂導通故障；單極模式電流脈動小，系統(tǒng)過零時，存在死區(qū)現(xiàn)象，也需要避免同臂導通故障。例如:一種支持單雙極脈寬調制控制的H橋電機控制器(201010524194)，主要以軟件方式實現(xiàn)，缺點是軟件方式可靠性低，抗干擾性
倉泛壟I。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種應用于天線的PWM功率放大器，把旋轉控制信號變換成放大的電功率，以驅動電機旋轉。該功率放大器采用PWM脈寬調制模式，天線伺服系統(tǒng)采用電壓、速度和位置三閉環(huán)控制系統(tǒng)。功率補償模塊作為功率放大器方位軸的并聯(lián)補償輸出端口，以增加方位軸的驅動能力。一套功率放大器有三條獨立的功率放大通道，即方位通道、俯仰通道和橫滾通道，分別對控制信號進行PWM功率放大輸出，最后，輸出到方位、俯仰和橫滾三個直流伺服電機上。這樣，一套功率放大器完全適應雷達天線三個方向伺服控制，從而簡化天線控制系統(tǒng)的設計。
[0005]為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:
一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:包括 三個功率放大器通道電路，用于同時驅動三路伺服電機；
并聯(lián)功率補償模塊，功率放大器和并聯(lián)功率補償模塊并聯(lián)連接后與伺服電機相連接。
[0006]本發(fā)明所述的并聯(lián)功率補償模塊通過插接件與伺服電機進行電氣連接。
[0007]本發(fā)明所述的并聯(lián)功率補償模塊通過插接件與功率放大器通道電路進行電氣連接。
[0008]本發(fā)明所述的功率放大器通道電路為功率放大器方位通道電路、功率放大器俯仰通道電路和功率放大器橫滾通道電路。
[0009]本發(fā)明所述的功率大放器通道電路，包括濾波及輸入放大器、減法器、PI校正器、三角波發(fā)生器、調制及邏輯保護電路和H橋PWM功率變換電路組成，由控制計算機發(fā)送的控制信號，通過D/A變換成模擬信號Ui，Ui首先輸入濾波及輸入放大器后，再送到減法器，由測速發(fā)電機得到的速度反饋信號和局部電壓負反饋信號同時送至減法器；位置、速度和電壓信號輸入同一個減法器求差后，經過PI校正器進行調節(jié)，PI校正器的輸出連接調制及邏輯保護電路中比較器的輸入，三角波發(fā)生器的正三角波信號a連接比較器的一路基準輸入，其負三角波信號b連接比較器的另一路基準輸入，綜合后的控制信號電壓和三角波通過電壓比較器，形成占空比隨控制信號電壓而變化的PWM波，調制及邏輯保護電路輸出單極性PWM波信號，輸入到采用雙極模式工作的H橋PWM功率變換電路，H橋PWM功率變換電路的輸出端連接到電機的電樞繞組兩端。
[0010]本發(fā)明所述的H橋PWM功率變換電路，開關器件T1、T2、T5和T6為達林頓管，T3、T4為開關三極管，T3、T4的射極分別接地，Tl的基極連接到電阻R18和R28并聯(lián)的一端，電阻R18和R28并聯(lián)的另一端連接到T6的基極，T3集電極連接Tl基極，二極管Dl陽極連接Tl基極，二極管Dl陰極連接Tl的射極，電容Cl連接在T3的集電極和地之間，電阻R19連接在T6的射極和基極之間，電阻R14、R15串聯(lián)連接連接Tl的射極和地之間；T5的基極連接到電阻R16和R27的并聯(lián)的一端，電阻R16和R27的并聯(lián)的另一端連接到T2的基極，T4集電極連接T5基極，二極管D2陽極連接T5基極，二極管D2陰極連接T5的射極，電容C2連接在T4的集電極和地之間，電阻Rl7連接在T2的射極和基極之間，電阻R20、R21串聯(lián)連接T5的射極和地之間，T2的射極連接T6的射極，Tl的射極連接T2的集電極，T5的射極連接T6的集電極，A、B端分別連接電機電樞繞組的兩端。
[0011]本發(fā)明所述的調制及邏輯保護電路，Ul為電壓比較器，U2為2輸入與非門，U3為4輸入與非門。Ul的第一路輸出12分別連接到U2的兩路輸入I和2，以及U3的一路輸入1，Ul的第二路輸出7分別連接到U2的另外兩路輸入4和5，以及U3的一路輸入9，+5V電源通過上拉電阻R206、R221分別連接到Ul的兩路輸出12和7，U2的第一路輸出3連接到U3的一路輸入10，U2的第二路輸出6連接到U3的一路輸入2，U2的第三路輸出8連接到U3的一路輸入5，+5V電源通過上拉電阻R207、R205分別連接到U3的輸入4和12。BRA信號同時連接到U2輸入12和13，ARG信號連接到U3輸入4，正三角波信號TA+連接到Ul的輸入10，負三角波信號TA-連接到Ul的輸入5，電容C202連接在Ul的輸入4和5之間。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
(I)PWM功率放大器采用局部電壓負反饋，以穩(wěn)定功率放大器的放大系數(shù)，提高控制精度。
[0013](2)采用并聯(lián)功率補償輸出方式，減小單個功率管的功率以及功率放大器的體積
和重量。
[0014](3)集成度高，一個功率放大器包含三個通道放大電路，可以同時驅動三路伺服電機，大大簡化了天線伺服系統(tǒng)的設計。
[0015](4)獨特的雙極可逆PWM控制模式，一般H橋PWM驅動脈沖均為雙極性的，本方案的驅動脈沖為單極性PWM信號，而H橋的輸出為雙極性PWM波，開關頻率高，控制簡單，可靠性高，同時不會出現(xiàn)同臂導通故障。
[0016](5)該功率放大器主要以硬件方式實現(xiàn)，控制精度高，電磁兼容性好，可靠性高，抗干擾能力強，適應于天線不同的應用場合。
[0017](6)脈寬調制及邏輯保護電路結構簡單，可靠性高、而且不需要雙極性電源，故障保護功能齊全，具有電流過載保護、限位保護等?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結構框圖；
圖2為本發(fā)明的放大器原理框圖；
圖3為本發(fā)明的H橋可逆PWM變換電路原理圖；
圖4為本發(fā)明的減法器電路原理圖；
圖5為本發(fā)明的調制及邏輯保護電路原理圖；
圖6為本發(fā)明的方位通道H橋的輸出信號；
圖2中:1、濾波及輸入放大器，2、減法器，3、PI校正器，4、三角波發(fā)生器、5、調制及邏輯保護電路、6、H橋PWM功率變換電路。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示，方位電機的并聯(lián)功率補償模塊在空間上獨立于功率放大器本體，兩者之間通過插接件進行電氣連接。這樣，在選擇開關器件功率不變的情況下，方位電機的驅動功率擴大了一倍，有利于減小功率放大器散熱器的面積，相應減小功率放大器的重量和體積。同樣，如果需要的話，俯仰電機和橫滾電機也可以增加并聯(lián)功率補償模塊。
[0020]方位1、俯仰2和橫滾3三個通道電路原理完全相同。
[0021]如圖2所示，濾波及輸入放大器I的輸出連接到減法器2的輸入，同時，速度負反饋信號和局部電壓負反饋信號分別連接到減法器2的輸入，減法器2的輸出連接到PI校正器3的輸入，PI校正器3的輸出連接調制及邏輯保護電路5的輸入，三角波發(fā)生器4的正三角波信號a連接調制及邏輯保護電路5中比較器的一路基準輸入，負三角波信號b連接比較器的另一路基準輸入，斷開信號BRA、左側限位開關ALG和右側限位開關ARG分別連接到調制及邏輯保護電路5，調制及邏輯保護電路5輸出連接到H橋PWM功率變換電路6，H橋PWM功率變換電路6輸出連接到電機的電樞繞組兩端。
[0022]具體的工作原理如下:
掃描旋轉控制信號由控制計算機送出，通過D/A變換成模擬信號Ui，Ui首先輸入低通濾波和輸入放大器1，再送到減法器2。速度反饋信號由測速發(fā)電機得到，并送到減法器。為穩(wěn)定功率放大器的放大系數(shù)，這里采用局部電壓負反饋，電壓取自未經濾波的功率放大器輸出電壓，送到減法器。位置、速度和電壓信號輸入同一個減法器求差，然后經過PI校正器進行調節(jié)。綜合后的控制信號電壓和三角波通過電壓比較器，形成占空比隨控制信號電壓而變化的PWM波，調制及邏輯保護電路5輸出的信號驅動H橋PWM功率變換電路6中的功率開關管，大功率開關管的基極驅動電路控制采用單極模式。功率輸出級輸出的電壓是幅值為26.5V左右，頻率為約9.2Khz的PWM脈沖序列，其占空比隨控制信號電壓的改變而變化。三角波發(fā)生器4分別產生一路正三角波信號a和一路負三角波信號b。另外,功率放大器方位通道電路、功率放大器俯仰通道電路和功率放大器橫滾通道電路所示的原理完全相同。
[0023]1、H橋可逆PWM變換電路
如圖3所示,H橋可逆PWM變換電路選用娃PNP功率達林頓晶體管作為開關元件,它內部的二極管可以起續(xù)流作用。達林頓晶體管基極的驅動脈沖信號為單極性的PWM波，電壓幅值為800mV，頻率均為9.2Khz。在一個PWM驅動脈沖周期內，H橋可逆PWM變換器輸出，即電機電樞兩端的電壓是雙極性PWM波，電壓幅值約為26.5V，頻率為9.2Khz。該電路的特點是達林頓管的驅動脈沖為單極性PWM波，而電機電樞電壓為雙極性PWM波，控制簡單，可
靠性高。
[0024]圖3中的開關器件Tl、T2、T5和T6為達林頓管，T3、T4為開關三極管。T3、T4的射極分別地，Tl的基極連接到電阻R18和R28并聯(lián)的一端，電阻R18和R28并聯(lián)的另一端連接到T6的基極，T3集電極連接Tl基極，二極管Dl陽極連接Tl基極，二極管Dl陰極連接Tl的射極，電容Cl連接在T3的集電極和地之間，電阻R19連接在T6的射極和基極之間，電阻R14、R15串聯(lián)連接Tl的射極和地之間。
[0025]T5的基極連接到電阻R16和R27的并聯(lián)的一端，電阻R16和R27的并聯(lián)的另一端連接到T2的基極，T4集電極連接T5基極，二極管D2陽極連接T5基極，二極管D2陰極連接T5的射極，電容C2連接在T4的集電極和地之間，電阻Rl7連接在T2的射極和基極之間，電阻R20、R21串聯(lián)連接T5的射極和地之間，T2的射極連接T6的射極，Tl的射極連接T2的集電極，T5的射極連接T6的集電極，A、B端分別連接電機電樞繞組的兩端。
[0026]圖3中，端子A和B通過濾波器接至電機電樞線圈的兩端。標號FWl為電機正轉的驅動脈沖，F(xiàn)W2電機反轉的驅動脈沖。假設電機的控制信號電壓為正值時，即Ui > 0，端子FWl為單極性的PWM信號，電壓幅值約為800mV，頻率為9.2Khz,同時，端子FW2始終為低電平，即OV電壓。此時，如果FWl的PWM波為高電平時，三極管T3導通，使得達林頓晶體管Tl、T6同時導通，+27V電源通過T6 —濾波器一電機電樞一Tl到電源的地端，從而構成回路，電機正轉；如果FWl的PWM波為零電平時，三極管T3關斷，使得Tl、T6也同時關斷，這時，電機的電樞電流沿T2、T5內部的二極管續(xù)流。在上述過程中，三極管T4始終關斷，從而導致達林頓管T2、T5 —直關斷。假設電機的控制信號電壓為負值時，即Ui < 0，標號FW2為單極性的PWM信號，電壓幅值為800mV，頻率為9.2Khz,同時，端子FWl始終為低電平，即OV電壓，分析與上述過程完全類似。俯仰通道和橫滾通道的H橋可逆PWM變換器與方位通道完全相同。
[0027]此外，方位電機并聯(lián)功率補償模塊電路的原理與H橋P麗變換器的電路原理完全相同。
[0028]在現(xiàn)有放大器中利用的H橋可逆PWM變換電路工作模式:雙極模式電流脈動大，存在零位震顫現(xiàn)象，利于克服靜摩擦，需要避免同臂導通故障；單極模式電流脈動小，系統(tǒng)過零時，存在死區(qū)現(xiàn)象，也需要避免同臂導通故障。
[0029]本方案基極驅動脈沖為單極性的PWM波，H橋的輸出為雙極性的PWM波，開關頻率高，控制簡單，可靠性高，能克服靜摩擦，不需附加延時，不會出現(xiàn)同臂導通現(xiàn)象。
[0030]2、減法器電路如圖4所示
圖4中，Uil為輸入放大器的輸出信號，標號ASPFB為速度反饋信號，標號AV0LTFB為輸出電壓反饋信號。它們送入反相放大器，差值信號經放大后，得到Usl=Uil-1c1-ASPFB-AVOLTFB。然后，進入 PI 校正器。
[0031]3、調制及邏輯保護電路如圖5所示
圖5中，Ul為電壓比較器，U2為2輸入與非門，U3為4輸入與非門。Ul的第一路輸出12分別連接到U2的兩路輸入I和2，以及U3的一路輸入1，U1的第二路輸出7分別連接到U2的另外兩路輸入4和5，以及U3的一路輸入9，+5V電源通過上拉電阻R206、R221分別連接到Ul的兩路輸出12和7，U2的第一路輸出3連接到U3的一路輸入10，U2的第二路輸出6連接到U3的一路輸入2，U2的第三路輸出8連接到U3的一路輸入5，+5V電源通過上拉電阻R207、R205分別連接到U3的輸入4和12。BRA信號同時連接到U2輸入12和13，ARG信號連接到U3輸入4，正三角波信號TA+連接到Ul的輸入4，負三角波信號TA-連接到Ul的輸入10，電容C202連接在Ul的輸入4和5之間。
[0032]圖5中，Ui為限幅電路輸出的控制信號電壓，標號TA+和TA-為兩路基準三角波信號，TA+為正三角波信號，TA-為負三角波信號。Ul為一個集成的精密高速雙電壓比較器。Ul的管腳4、5為一個比較器的輸入端，管腳12為其對應輸出；管腳9、10為另一個比較器的輸入端，管腳7為其對應輸出。這里，該電壓比較器的輸出為PWM信號，幅值為+5V，頻率為9.2Khz，兩個比較器的輸出都是單級性PWM脈沖信號。U2和U3組合實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的邏輯保護功能。例如:當斷開方位電機信號BRA為有效時，即零電平時，該路與非門的輸出11(4Y)為高電平，因此U3的兩個4輸入與非門的輸出AA+、AA-都為高電平。然后，它們送入驅動PWM脈沖開關電路，導致功率開關管基極驅動脈沖均為低電平。于是，方位電機立即停轉。同理，當左方位限位開關ALG、右方位限位開關ARG任何一個有效時，均能使功率開關管基極驅動脈沖變?yōu)榈碗娖健Ｍ瑫r，圖5中的電路能夠保證信號AA+和信號AA-互鎖，當任何一路為PWM信號時，另一路始終為高電平，這樣，就不會出現(xiàn)同臂導通短路現(xiàn)象，因而不需附加延時電路。俯仰通道和傾斜通道的原理圖與方位通道完全相同。
[0033]圖5中，AA+為方位電機正轉驅動脈沖，AA-為方位電機反轉驅動脈沖，幅值均為+5V，頻率為9.2Khz。AA+、AA-分別連接一個PNP三極管開關電路，從而輸出H橋PWM驅動信號FW1、FW2。當FWl為PWM信號時，可以驅動后續(xù)的H橋電路，使電機正轉。當FW2為PWM信號時，可以驅動后續(xù)的H橋電路，使電機反轉。
[0034]4、實驗驗證
當控制信號電壓Ui=0.1V時，方位通道H橋的輸出信號如圖6所示:
當控制信號電壓Ui=0.1V時，在功率放大器空載情況下，即不接入電機，圖6中上側為H橋可逆PWM變換器電路圖3中標號A的電壓信號，其幅值為+26.5V的電壓。下側為圖3中標號B的電壓信號，其為PWM信號，幅值為+26.5V左右，頻率為9.2Khz左右。
【權利要求】
1.一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:包括 三個功率放大器通道電路，用于同時驅動三路伺服電機； 并聯(lián)功率補償模塊，功率放大器和并聯(lián)功率補償模塊并聯(lián)連接后與伺服電機相連接。
2.如權利要求1所述的一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:所述的并聯(lián)功率補償模塊通過插接件與伺服電機進行電氣連接。
3.如權利要求1所述的一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:所述的并聯(lián)功率補償模塊通過插接件與功率放大器通道電路進行電氣連接。
4.如權利要求1所述的一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:所述的功率放大器通道電路為功率放大器方位通道電路、功率放大器信俯仰通道電路和功率放大器橫滾通道電路。
5.如權利要求1所述的一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:所述的功率大放器通道電路，包括濾波及輸入放大器(I)、減法器(2)、PI校正器(3)、三角波發(fā)生器(4)、調制及邏輯保護電路(5)和H橋PWM功率變換電路(6)組成，由控制計算機發(fā)送的控制信號，通過D/A變換成模擬信號，Ui首先輸入濾波及輸入放大器(I)后，再送到減法器(2)，由測速發(fā)電機得到的速度反饋信號和局部電壓負反饋信號同時送至減法器(2);位置、速度和電壓信號輸入同一個減法器(2)求差后，經過PI校正器(3)進行調節(jié)，PI校正器(3)的輸出連接調制及邏輯保護電路(5)的輸入，三角波發(fā)生器(4)的正三角波信號a連接調制及邏輯保護電路(5)中比較器的一路基準輸入，其負三角波信號b連接比較器的另一路基準輸入，綜合后的控制信號電壓和三角波通過電壓比較器，形成占空比隨控制信號電壓而變化的PWM波，調制及邏輯保護 電路(5)輸出單極性PWM波信號，輸入到采用雙極模式工作的H橋PWM功率變換電路(6)，H橋PWM功率變換電路(6)的輸出端連接到電機的電樞繞組兩端。
6.如權利要求5所述的一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:所述的H橋PWM功率變換電路(6)，開關器件Tl、T2、T5和T6為達林頓管，T3、T4為開關三極管，T3、T4的射極分別接地，Tl的基極連接到電阻R18和R28并聯(lián)的一端，電阻R18和R28并聯(lián)的另一端連接到T6的基極，T3集電極連接Tl基極，二極管Dl陽極連接Tl基極，二極管Dl陰極連接Tl的射極，電容Cl連接在T3的集電極和地之間，電阻R19連接在T6的射極和基極之間，電阻R14、R15串聯(lián)連接連接Tl的射極和地之間；T5的基極連接到電阻R16和R27的并聯(lián)的一端，電阻R16和R27的并聯(lián)的另一端連接到T2的基極，T4集電極連接T5基極，二極管D2陽極連接T5基極，二極管D2陰極連接T5的射極，電容C2連接在T4的集電極和地之間，電阻Rl7連接在T2的射極和基極之間，電阻R20、R21串聯(lián)連接T5的射極和地之間，T2的射極連接T6的射極，Tl的射極連接T2的集電極，T5的射極連接T6的集電極，A、B端分別連接電機電樞繞組的兩端。
7.如權利要求5所述的一種應用于天線的PWM功率放大器，其特征在于:所述的調制及邏輯保護電路(5)，Ul為電壓比較器，U2為2輸入與非門，U3為4輸入與非門；U1的第一路輸出12分別連接到U2的兩路輸入I和2，以及U3的一路輸入1，U1的第二路輸出7分別連接到U2的另外兩路輸入4和5，以及U3的一路輸入9，+5V電源通過上拉電阻R206、R221分別連接到Ul的兩路輸出12和7，U2的第一路輸出3連接到U3的一路輸入10，U2的第二路輸出6連接到U3的一路輸入2，U2的第三路輸出8連接到U3的一路輸入5，+5V電源通過上拉電阻R207、R205分別連接到U3的輸入4和12 ；BRA信號同時連接到U2輸入1 13，ARG信號連接到U3輸入4，正三角波信號TA+連接到Ul的輸入4，負三角波信號TA-連接到Ul的輸入10，電容C202連接在Ul的輸入4和5之間。
【文檔編號】H03F3/217GK103501163SQ201310461618
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權日:2013年10月8日
【發(fā)明者】周濤, 張麗, 陳軍, 王希娟, 張莉莉, 李玲 申請人:洛陽師范學院