| 介紹了以TL494為核心，采用PWM技術(shù)的直流電機控制系統�；赥L494的H橋直流電機控制系統可簡(jiǎn)化電路結構、驅動(dòng)能力強、功耗低并且控制方便，性能穩定。
由于直流電機具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調速性能，已廣泛應用于工業(yè)、航天領(lǐng)域等各個(gè)方面。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調制（PWM）調速技術(shù)已成為直流電機常用的調速方法，具有調速精度高、響應速度快、調速范圍寬和功耗低等特點(diǎn)。而以H橋電路作為驅動(dòng)器的功率驅動(dòng)電路，可方便地實(shí)現直流電機的四象限運行，包括正轉、正轉制動(dòng)、反轉、反轉制動(dòng)，已廣泛應用于現代直流電機伺服系統中。
1、直流電機PWM調速控制原理
眾所周知，直流電動(dòng)機轉速公式為：
直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法用得很少，大多數應用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現，其中脈沖寬度調制（PWM）便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。其方法是通過(guò)改變電機電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)調整直流電機的電樞電壓U，從而控制電機速度。
PWM的核心部件是電壓-脈寬變換器，其作用是根據控制指令信號對脈沖寬度進(jìn)行調制，以便用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率晶體管的導通時(shí)間，實(shí)現對電樞繞組兩端電壓的控制。
電壓-脈寬變換器結構如圖1所示，由三角波發(fā)生器、加法器和比較器組成。三角波發(fā)生器用于產(chǎn)生一定頻率的三角波UT，該三角波經(jīng)加法器與輸入的指令信號UT相加，產(chǎn)生信號UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個(gè)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開(kāi)環(huán)增益及限幅開(kāi)關(guān)特性。兩個(gè)輸入端的信號差的微弱變化，會(huì )使比較器輸出對應的開(kāi)關(guān)信號。一般情況下，比較器負輸入端接地，信號UI+UT從正端輸入。當UI+UT》0時(shí)，比較器輸出滿(mǎn)幅度的正電平;當UI+UT《0時(shí)，比較器輸出滿(mǎn)幅度的負電平。
圖1電壓-脈寬比較器
電壓-脈寬變換器對信號波形的調制過(guò)程如圖2所示。由于比較器的限幅特性，輸出信號Us的幅度不變，但脈沖寬度隨UI的變化而變化，Us的頻率由三角波的頻率所決定。
當指令信號UI=0時(shí)，輸出信號Us為正負脈沖寬度相等的矩形脈沖。當UI》0時(shí)，Us的正脈寬大于負脈寬。當UI《0時(shí)，Us的正脈寬小于負脈寬。當UI》UTPP/2時(shí)（UTPP是三角波的峰值），Us為一正直流信號;當UI《UTPP/2時(shí)，Us為一負直流信號。
圖2PWM脈寬調制波形
2、直流電機驅動(dòng)控制總流程圖
直流電機驅動(dòng)控制電路分為控制信號電路、脈寬調制電路、驅動(dòng)信號放大電路、H橋功率驅動(dòng)電路等部分，控制總流程如圖3所示。
圖3直流電機驅動(dòng)控制總流程圖
由圖3可以看出，首先由單片機發(fā)出電機邏輯控制信號，主要包括電機運轉方向信號Dir，電機調速信號PWM及電機制動(dòng)信號Brake，然后由TL494進(jìn)行脈寬調制，其輸出信號驅動(dòng)H橋功率電路來(lái)驅動(dòng)直流電機。其中H橋是由4個(gè)大功率增強型場(chǎng)效應管構成的，其作用是改變電機的轉向，并對驅動(dòng)信號進(jìn)行放大。
3、TL494脈沖寬度調制電路
3.1TL494各管腳功能
在實(shí)現電機PWM控制的電路中，本系統選用TL494芯片，其內部電路由基準電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調制比較器以及輸出電路等組成。共16個(gè)管腳，其功能結構如圖4所示。
TL494芯片廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。其片內資源有：
◆集成了全部的脈寬調制電路。
◆片內置線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。
◆內置誤差放大器。
◆內止5V參考基準電壓源。
◆可調整死區時(shí)間。
◆內置功率晶體管可提供500mA的驅動(dòng)能力。
◆推或拉兩種輸出方式。
3.2工作原理簡(jiǎn)述
TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調制電路，內置了線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調節，其振蕩頻率如下：
圖4TL494結構圖
輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門(mén)。當雙穩觸發(fā)器的時(shí)鐘信號為低電平時(shí)才會(huì )被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會(huì )被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。
控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區時(shí)間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區時(shí)間，約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當把死區時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區時(shí)間。
該芯片具有抗干擾能力強、結構簡(jiǎn)單、可靠性高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。
3.3基于TL494推挽式輸出的電路設計
該控制系統的具體實(shí)現電路如圖5所示。系統功率驅動(dòng)選用MOSFET，其輸入阻抗很高，可直接由晶體三極管驅動(dòng)。TL494的13腳用來(lái)控制輸出模式。在該系統中，選擇將該端輸入為低電平，這時(shí)TL494內觸發(fā)器Q1和Q2不起作用，兩路輸出相同，其頻率和振蕩器頻率相同、最大占空比為98%。
圖5基于TL494推挽式輸出的電路設計
4、H橋功率驅動(dòng)原理與電路設計
驅動(dòng)信號在經(jīng)TL494的脈寬調制后，在直流電機控制中常用H橋電路作為驅動(dòng)器的功率驅動(dòng)電路。這種驅動(dòng)電路可方便地實(shí)現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動(dòng)、反轉、反轉制動(dòng)。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現象等特點(diǎn)，滿(mǎn)足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求，因此常用功率MOSFET構成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個(gè)功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOS-FET一般不用于下橋臂驅動(dòng)電機，上下橋臂分別用2個(gè)P溝道功率MOSFET和2個(gè)N溝道功率MOSFET。其電路圖如圖6所示。
圖6H橋功率驅動(dòng)電路
圖中VCC為電機電源電壓，輸出端并聯(lián)一只小電容，用于降低感性元件電機產(chǎn)生的尖峰電壓。4個(gè)二極管為續流二極管，可為線(xiàn)圈繞組提供續流回路。當電機正常運行時(shí)，驅動(dòng)電流通過(guò)主開(kāi)關(guān)管流過(guò)電機。當電機處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，轉子電流必須通過(guò)續流二極管流通，否則電機就會(huì )發(fā)熱，嚴重時(shí)甚至燒毀。Us來(lái)自TL494的輸出，-Us可通過(guò)對Us反相獲得。當Us》0時(shí)，VT1和VT4導通，Us《0時(shí)，VT2和VT3導通。
按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅動(dòng)的直流伺服電機可以有以下四種工作狀態(tài)：
1）當UI=0時(shí)，Us的正負脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導通時(shí)間和VT2和VT3導通時(shí)間相等，通過(guò)電樞繞組中的平均電流為零，電動(dòng)機不轉。
2）當UI》0時(shí)，Us的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導通時(shí)間大于VT2和VT3導通時(shí)間，通過(guò)電樞繞組中的平均電流大于零，電動(dòng)機正轉，且隨著(zhù)UI增加，轉速增加。
3）當UI《0時(shí)，Us的直流分量小于零，VT1和VT4的導通時(shí)間，通過(guò)電樞繞組中的平均電流小于零，電動(dòng)機反轉，且反轉轉速隨著(zhù)UI的減小而增加。
4）當UI≤UTPP/2或UI≤-UTPP/2時(shí)，Us為正或負的直流信號，VT1和VT4于或VT2和VT3始終導通，電機在最高轉速下正轉或反轉。
結束語(yǔ)
本文所述的直流電機調速系統以TL494為核心，構成H橋雙極式PWM直流電機調速系統，較好地實(shí)現了對直流電機的速度控制，并具有精度高、響應速度快、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)際運用來(lái)看，TL494用于直流電機的PWM調速，不僅具有良好的性能，而且經(jīng)濟可靠，因而具有很大的實(shí)用價(jià)值。 |
