由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性 能，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域等各個(gè)方面。隨著 電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速技術(shù)已成為直流電機(jī)常用的調(diào)速方法，具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和功耗低等特點(diǎn)。而以H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路，可方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，包括正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代直流電機(jī)伺服系統(tǒng)中。本文介紹了以TL494為核心，采用PWM技術(shù)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了直流電機(jī)PWM調(diào)速控制原理、接口電路設(shè)計(jì)、H橋功率驅(qū)動(dòng)原理與其電路設(shè)計(jì)。 　　1.直流電機(jī)PWM調(diào)速控制原理 　　眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為： 　　其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞 電路總電阻，φ為每極磁通量，K 為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電 壓控制法。勵(lì)磁控制法用得很少，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合 都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中脈沖寬 度調(diào)制(PWM)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào) 速方法。其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值(即占空比)來(lái)調(diào)整直流電機(jī)的電樞電壓U，從而控制電機(jī)速度。PWM的核心部件是電壓-脈寬變換器，其作用是根據(jù)控制指令信號(hào)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，以便用寬度隨指令變化的脈沖信號(hào)去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞繞組兩端電壓的控制。 　　電壓-脈寬變換器結(jié)構(gòu)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(hào)UT相加，產(chǎn)生信號(hào)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(yùn)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(hào)差的微弱變化，會(huì)使比較器輸出對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。一般情況下，比較器負(fù)輸入端接地， 信號(hào)UI UT從正端輸入。當(dāng)UI UT>0時(shí)，比較器輸出滿幅度的正電平;當(dāng) UI UT<0時(shí)，比較器輸出滿幅度的負(fù)電平。 　　圖1 電壓-脈寬比較器 　　電壓-脈寬變換器對(duì)信號(hào)波形的調(diào)制過(guò)程如圖2所示。由于比較器的限幅特性，輸出信號(hào)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(dāng)指令信號(hào)UI=0時(shí)，輸出信號(hào)Us為正負(fù)脈沖寬度相等的矩形脈沖。 　　當(dāng)UI>0時(shí)，Us的正脈寬大于負(fù)脈寬。 　　當(dāng)UI<0時(shí)，Us的正脈寬小于負(fù)脈寬。 　　當(dāng)UI≥UTPP/2時(shí)(UTPP是三角波的峰值)，Us為一正直流信號(hào);當(dāng)UI≤UTPP/2時(shí)，Us為一負(fù)直流信號(hào)。 　　圖2 PWM脈寬調(diào)制波形 　　2.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制總流程圖 　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路分為控制信號(hào)電路、脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路、H橋功率驅(qū)動(dòng)電路等部分，控制總流程如圖3所示。 　　圖3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制總流程圖 　　由圖3可以看出，首先由單片機(jī)發(fā)出電機(jī)邏輯控制信號(hào)，主要包括電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號(hào)Dir，電機(jī)調(diào)速信號(hào)PWM 及電機(jī)制動(dòng)信號(hào)Brake, 然后 由T L494 進(jìn)行脈寬調(diào)制，其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)H 橋功率電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。其中H 橋是由4個(gè)大功率增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的，其作用是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大。 　　3.TL494脈沖寬度調(diào)制電路 　　3.1TL494各管腳功能 　　在實(shí)現(xiàn)電機(jī)PWM 控制的電路中，本系統(tǒng)選用TL494芯片，其內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào) 制比較器以及輸出電路等組成。共16個(gè)管腳，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。 　　圖4 TL494結(jié)構(gòu)圖 　　T L494芯片廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋 式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。其片內(nèi)資源有： 　　●集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 　　●片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)(一個(gè)電阻和一個(gè)電容) 。 　　●內(nèi)置誤差放大器。 　　●內(nèi)止5V參考基準(zhǔn)電壓源。 　　●可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。 　　●內(nèi)置功率晶體管可提供500 mA的驅(qū)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(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，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(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下： 　　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(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā) 器的時(shí)鐘信號(hào)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(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。 　　控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間，約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)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(dāng)把死區(qū)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(qū)時(shí)間。 　　該芯片具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì) 　　該控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)選用MOSFET，其輸入阻抗很高，可直接由晶體三極管驅(qū)動(dòng)。TL494的13腳用來(lái)控制輸出模式。在該系統(tǒng)中，選擇將該端輸入為低電平，這時(shí)TL494內(nèi)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 TL494推挽式輸出的電路設(shè)計(jì) 　　4.H橋功率驅(qū)動(dòng)原理與電路設(shè)計(jì) 　　驅(qū)動(dòng)信號(hào)在經(jīng)TL494的脈寬調(diào)制后，在直流電機(jī)控制中常用H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)電路可方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)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(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求，因此常用功率MOSFET構(gòu)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MOSFET一般不用于下橋臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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6 H橋功率驅(qū)動(dòng)電路 　　圖中VCC為電機(jī)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(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓。4個(gè)二極管為續(xù)流二極管，可為線圈繞組提供續(xù)流回路。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)主開(kāi)關(guān)管流過(guò)電機(jī)當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過(guò)續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀。Us來(lái)自TL494的輸出，-Us可通過(guò)對(duì)Us反相獲得。當(dāng)Us>0時(shí)，VT1和VT4導(dǎo)通，Us<0時(shí)，VT2和VT3導(dǎo)通。 　　按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅(qū)動(dòng)的直流伺服電機(jī)可以有以下四種工作狀態(tài)： 　　1)當(dāng)UI=0時(shí)，Us的正負(fù)脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間和VT2和VT3導(dǎo)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(jī)不轉(zhuǎn)。 　　2)當(dāng)UI>0時(shí)，Us的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間大于VT2和VT3導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)電樞繞組中的平均電流大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著UI增加，轉(zhuǎn)速增加。 　　3)當(dāng)UI<0時(shí)，Us的直流分量小于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)電樞繞組中的平均電流小于零，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著UI的減小而增加。