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1、基于基于 PWMPWM 技术的直流电机控制系统技术的直流电机控制系统由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以 H 桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。.直流电机 PWM 调速控制原理众所周知，直流电动机转速公式为【1】：n=(U-IR)/K其中 U 为电枢端电压，I 为电枢电流，R 为电枢电路总电阻， 为每极磁通量，
2、K 为电动机结构参数。直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制 (PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压 U，从而控制电机速度。PWM 的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。电压-脉宽变换器结构如图 1 所示，由三角波发生器、加法器和比较器
3、组成。三角波发生器用于产生一定频率的三角波 UT，该三角波经加法器与输入的指令信号 UI相加，产生信号 UI+UT，然后 送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。一般情况下，比较器负输入端接地，信号 UI+UT从正端输入。当 UI+UT时，比较器输出满幅度的正电平；当 UI+UT时，比较 器输出满幅度的负电平。电压脉宽变换器对信号波形的调制过程如图 2 所示。由于比较器的限幅特性，输出信号S的幅度不变，但脉冲宽度随 UI的变化而变化，S的频率由三角波的频率所决定。当指令信号 UI时，输出
4、信号S为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。当 UI时，S的正脉宽大于负脉宽。当 UI时，S的正脉宽小于负脉宽。当 UITPP时（TPP是三角波的峰值） ，S为一正直流信号；当 UITPP时，S 为一负直流信号。2.直流电机驱动控制总流程图直流电机驱动控制电路分为控制信号电路、脉宽调制电路、驱动信号放大电路、H 桥功率驱动电路等部分，控制总流程如图 3 所示。由图 3 可以看出，首先由单片机发出电机逻辑控制信号，主要包括电机运转方向信号 Dir，电机调速信号 PWM 及电机制动信号 Brake，然后由 TL494 进行脉宽调制，其输出信号驱动 H 桥功率电路来驱动直流电机。其中 H 桥是由 4 个大功
5、率增强型场效应管构成的，其作用是改变电机的转向，并对驱动信号进行放大。3. TL494 脉冲宽度调制电路31 TL494 各管脚功能。在实现电机 PWM 控制的电路中，本系统选用 TL494 芯片，其内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。 ，共 16 个管脚，其功能结构如图 4 所示。TL494 芯片广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。其片内资源有【2】：集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容） 。内置误差放大器。内止 5V 参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率
6、晶体管可提供 500mA 的驱动能力。推或拉两种输出方式。3.2 工作原理简述TL494 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：输出脉冲的宽度是通过电容 CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管 Q1 和 Q2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。 控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有 120mV 的输入补偿电压，它
7、限制了最小输出死区时间，约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为 96%，而输出端接参考电平时，占空比为 48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在 03.3V 之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。该芯片具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。3.3 基于 TL494 推挽式输出的电路设计该控制系统的具体实现电路如图 5 所示。系统功率驱动选用 MOSFET,其输入阻抗很高,可直接由晶体三极管驱动。TL494 的 13 脚用来控制输出模式。在该系统中,选择将该端输入为低电平,这时TL494 内触发器 Q1 和 Q2 不起作用,两路输出相同,其频率和
8、振荡器频率相同、最大占空比为 98%。4.H 桥功率驱动原理与电路设计驱动信号在经 TL494 的脉宽调制后,在直流电机控制中常用 H 桥电路作为驱动器的功率驱动电路。这种驱动电路可方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。由于功率 MOSFET 是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率 MOSFET 构成 H 桥电路的桥臂。H 桥电路中的 4 个功率 MOSFET 分别采用 N 沟道型和 P 沟道型，而 P 沟道功率 MOSFET 一般不用于下桥臂驱动电机，上下桥臂分别用 2个 P 沟道功率 MOSFET
9、和 2 个 N 沟道功率 MOSFET。其电路图如图 6 所示。图图中 VCC 为电机电源电压， ，输出端并联一只小电容，用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。4 个二极管为续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。S 来自 TL494 的输出， -S 可通过对S 反相获得。当S0 时，VT1 和 VT4 导通，S0 时，VT2 和 VT3 导通。按照控制指令的不同情况，该功放电路及其所驱动的直流伺服电机可以有以下四种工作状态：1）当 UI0 时
10、，S 的正负脉宽相等，直流分量为零，VT1 和 VT4 的导通时间和 VT2 和 VT3 导通时间相等，通过电枢绕组中的平均电流为零，电动机不转。2）当 UI0 时，S 的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VT1 和 VT4 的导通时间大于 VT2 和VT3 导通时间，通过电枢绕组中的平均电流大于零，电动机正转,且随着 UI 增加，转速增加。3) 当 UI0 时，S 的直流分量小于零，VT1 和 VT4 的导通时间小于 VT2 和 VT3 导通时间，通过电枢绕组中的平均电流小于零，电动机反转，且反转转速随着 UI 的减小而增加。4）当 UITPP或 UI-TPP时，S 为正或负的直流信号，VT1 和 VT4 于或 VT2 和 VT3始终导通，电机在最高转速下正转或反转。结束语本文所述的直流电机调速系统以 TL494 为核心，构成 H 桥双极式 PWM 直流电机调速系统，较好地实现了对直流电机的速度控制，并具有精度高、响应速度快、稳定性好等优点。从实际运用来看， TL494 用于直流电机的 PWM 调速，不仅具有良好的性能，而且经济可靠，因而具有很大的实用价值。本文来源：www.opg- 转载需注明出处
