前面所述的OP放大器是放大器在機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)方面，下面介紹控制器具體的實(shí)現(xiàn)方法。在具體的電路中，OP放大器用于信息處理，即把電壓轉(zhuǎn)換為可供利用的信息。從高效率利用能源的角度看，應(yīng)該控制流過(guò)電路的電流為最小。在計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的時(shí)候，也面臨同樣的問(wèn)題。

　　不過(guò)，將OP放大器電路或計(jì)算機(jī)處理決定的控制量輸人伺服器時(shí)，需要加進(jìn)一個(gè)電路，它具有一定的輸出阻抗，以便產(chǎn)生足夠的電流，給驅(qū)動(dòng)器施加足夠的電壓。扮演這個(gè)角色的就是功率放大器。

　　1.功率OP放大器

　　如前所述，理想OP放大器的輸出阻抗是0。這就意味著無(wú)論輸出端要求多大的電流它都能辦到?？墒?，OP放大器的輸出端在大多數(shù)情況下都與其他OP放大器的輸人端連接著，設(shè)計(jì)時(shí)基本上可以認(rèn)為OP放大器是與高輸人阻抗連接的。因此，它的實(shí)際輸出阻抗并不很大。相應(yīng)地，考慮到與低阻抗負(fù)載連接的用途，OP放大器也可以按照大的輸出電流來(lái)設(shè)計(jì)，一般稱之為功率放大器。

　　功率放大器與一般的OP放大器的不同點(diǎn)僅僅在于輸出大電流的那一部分，除此之外，兩者幾乎沒(méi)有區(qū)別。處理大電流時(shí)必須注意的最大問(wèn)題是OP放大器內(nèi)部允許的損失和它的放熱措施。工作狀態(tài)不同，OP放大器內(nèi)部所消耗的功率變化也極大，在能量效率很差的區(qū)域功率損耗相當(dāng)多，所以需要進(jìn)行合理的散熱設(shè)計(jì)。

　　實(shí)際情況是，市場(chǎng)上銷售的功率放大器產(chǎn)品大多數(shù)的最大電流為1A左右，當(dāng)然也有3-10A左右輸出電流的放大器。放大器的外形也應(yīng)該適應(yīng)散熱的要求，例如，配備散熱風(fēng)扇，安裝散熱板片等。

　　功率OP放大器充當(dāng)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是放大器本身兼有控制器，所以設(shè)計(jì)和安裝十分簡(jiǎn)單。因此，它很適合用于各種實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，從能量效率的觀點(diǎn)看還有點(diǎn)問(wèn)題，即它必須備用兩個(gè)電源。特別是自主移動(dòng)式機(jī)器人，對(duì)搭載電源有嚴(yán)格的限制，能量效率要求比較高，因此很難說(shuō)功率放大器是比較適合的選擇。

　　2.線性功率放大器

　　由電流放大晶體管（功率晶體管）組成的功率放大器對(duì)性能規(guī)格的適應(yīng)范圍較寬，在市場(chǎng)上有大量出售，很便于組成能滿足各種要求的功率放大器。其中典型的例子就是線性功率放大器，其基本原理如圖3.35所示。

　　這個(gè)電路的基本思想就是用晶體管和負(fù)載將電源電壓進(jìn)行分壓，以此來(lái)調(diào)整加在負(fù)載上的電壓。如前所述，晶體管本身的參數(shù)h在制造時(shí)分散性很強(qiáng)，受溫度影響大，不采取措施難以得到穩(wěn)定的動(dòng)作。還有一個(gè)問(wèn)題是，圖3.35中流過(guò)負(fù)載的電流僅沿一定方向流動(dòng)。在機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域，功率放大器驅(qū)動(dòng)的對(duì)象多數(shù)是電機(jī)，它們需要雙向驅(qū)動(dòng)，電流單向流動(dòng)顯然不合適。

　　基于上面的實(shí)際問(wèn)題，將線性功率放大器電路改成如圖3.36所示。

　　在圖3. 36的電路中，用OP放大器將反饋返回到施于負(fù)載的電壓上，這樣有利于消除因晶體管參數(shù)變動(dòng)而產(chǎn)生的影響。通過(guò)使用復(fù)合晶體管對(duì)與兩個(gè)電源，負(fù)載電流可以按照輸人信號(hào)的符號(hào)方向流動(dòng)。

　　如前所述，電路利用負(fù)載和晶體管來(lái)進(jìn)行分壓，起到了調(diào)整負(fù)載電壓的作用。晶體管所消耗的能量相當(dāng)于施加在晶體管上的電壓與負(fù)載電流的乘積。因此，需要充分考慮輸出端晶體管的選擇以及它的散熱對(duì)策。

　　組成這個(gè)電路的元器件比較多。實(shí)際上，尤其是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器這種功率放大器的典型應(yīng)用場(chǎng)合，在市場(chǎng)上可以購(gòu)得所需元器件全部IC化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器商品。電機(jī)容量較小時(shí)，則選用專用IC會(huì)更方便一些。

　　3.PWM放大器

　　基于PWM （Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）放大器驅(qū)動(dòng)方式的H橋式功率放大器經(jīng)常被用于機(jī)器人數(shù)十瓦級(jí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

　　在前述線性功率放大器中曾經(jīng)談到，位于輸出極的晶體管產(chǎn)生功率消耗。通常，該部分功率通過(guò)散熱片向外排出熱量，因此它存在能量損失相當(dāng)大的缺點(diǎn)。但是，在這種方式中，如果晶體管完全是on或完全是off的場(chǎng)合并不造成能量損失。之所以如此的原因是晶體管在on的狀態(tài)時(shí)給晶體管施加電壓，以及在off的狀態(tài)時(shí)流過(guò)晶體管的電流均為0。

　　基于這個(gè)原理，給晶體管反復(fù)交互地施加on，off的脈沖信號(hào)（PWM信號(hào)），就能夠降低能量損失，這種方式稱為PWM驅(qū)動(dòng)方式。不過(guò)，雖然此時(shí)on，off不斷反復(fù)，為了不引起電機(jī)振動(dòng)，要求信號(hào)的脈沖周期（脈沖信號(hào)的頻率）設(shè)定的要比電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)（一般為數(shù)毫秒的量級(jí)）小。至于對(duì)轉(zhuǎn)速的控制，則是根據(jù)on，off時(shí)間的比例，即占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖3. 37給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常使用的PWM驅(qū)動(dòng)方式的基本電路。在這個(gè)電路中，給電機(jī)配置了四個(gè)呈H狀布置的晶體管，它能實(shí)現(xiàn)單電源供電的電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，這種方式叫做H橋方式。在此基礎(chǔ)上，利用把下一級(jí)的兩個(gè)晶體管同時(shí)on，造成電機(jī)端子之間的短路，可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。晶體管的四個(gè)狀態(tài)與正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、停止等四個(gè)動(dòng)作的對(duì)應(yīng)組合如表3.8所示。

　　在該電路中，與晶體管并聯(lián)的二極管叫做續(xù)流二極管，由于它的作用，在脈沖輸人的off期間，儲(chǔ)存在電機(jī)中的能量得以維持電機(jī)的電流，達(dá)到了提高效率的效果。

　　如果向電機(jī)下達(dá)的指令為模擬電壓，就需要與模擬電壓值成正比地生成PWM的占空比信號(hào)。此時(shí)最常用的方法是預(yù)先準(zhǔn)備某個(gè)周期的三角波，把它與模擬信號(hào)同時(shí)輸人運(yùn)算比較器。不過(guò)，如果是通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出指令值，因?yàn)槭袌?chǎng)已經(jīng)有產(chǎn)生總線界面PWM波的現(xiàn)成的IC出售，所以可以直接購(gòu)買來(lái)利用。在單片的MPU中，大多都嵌人了產(chǎn)生PWM波的功能，使用起來(lái)非常方便。