基于PWM技術(shù)的直流電機控制系統(tǒng)

由于直流電機具有良好的起動、制動和調(diào)速性能，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域等各個方面。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。而以H橋電路作為驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路，可方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，包括正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代直流電機伺服系統(tǒng)中。

**1.直流電機PWM調(diào)速控制原理**

眾所周知，直流電動機轉(zhuǎn)速公式為：

n=(U-IR)/Kφ

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為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。

直流電機轉(zhuǎn)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(shù)應(yīng)用場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多種途徑實現(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。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值(即占空比)來調(diào)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(jù)控制指令信號對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，以便用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)對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UI相加，產(chǎn)生信號UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個工作在開環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個輸入端的信號差的微弱變化，會使比較器輸出對應(yīng)的開關(guān)信號。一般情況下，比較器負(fù)輸入端接地，信號UI+UT從正端輸入。當(dāng)UI+UT＞0時，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng)UI+UT＜0時，比較器輸出滿幅度的負(fù)電平。

電壓－脈寬變換器對信號波形的調(diào)制過程如圖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(dāng)指令信號UI＝0時，輸出信號US為正負(fù)脈沖寬度相等的矩形脈沖。

當(dāng)UI＞0時，US的正脈寬大于負(fù)脈寬。

當(dāng)UI＜0時，US的正脈寬小于負(fù)脈寬。

當(dāng)UI≥UTPP／2時（UTPP是三角波的峰值），US為一正直流信號；當(dāng)UI≤UTPP／2時，US為一負(fù)直流信號。

**2.直流電機驅(qū)動控制總流程圖**

直流電機驅(qū)動控制電路分為控制信號電路、脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動信號放大電路、H橋功率驅(qū)動電路等部分，控制總流程如圖3所示。

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(zhuǎn)方向信號Dir，電機調(diào)速信號PWM及電機制動信號Brake，然后由TL494進(jìn)行脈寬調(diào)制，其輸出信號驅(qū)動H橋功率電路來驅(qū)動直流電機。其中H橋是由4個大功率增強型場效應(yīng)管構(gòu)成的，其作用是改變電機的轉(zhuǎn)向，并對驅(qū)動信號進(jìn)行放大。

**3.TL494脈沖寬度調(diào)制電路**

3．1TL494各管腳功能。

在實現(xiàn)電機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個管腳，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

TL494芯片廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(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（一個電阻和一個電容）。

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)時間。

內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力。

推或拉兩種輸出方式。

3.2工作原理簡述

TL494是一個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，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)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(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間，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，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時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)時間。

該芯片具有抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及價格便宜等特點。

3.3基于TL494推挽式輸出的電路設(shè)計

該控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)電路如圖5所示。系統(tǒng)功率驅(qū)動選用MOSFET,其輸入阻抗很高,可直接由晶體三極管驅(qū)動。TL494的13腳用來控制輸出模式。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%。

**4.H橋功率驅(qū)動原理與電路設(shè)計**

驅(qū)動信號在經(jīng)TL494的脈寬調(diào)制后,在直流電機控制中常用H橋電路作為驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路。這種驅(qū)動電路可方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點，滿足高速開關(guān)動作需求，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)動電機，上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET。其電路圖如圖6所示。

圖圖中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)電機正常運行時，驅(qū)動電流通過主開關(guān)管流過電機。當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴(yán)重時甚至燒毀。US來自TL494的輸出，-US可通過對US反相獲得。當(dāng)US＞0時，VT1和VT4導(dǎo)通，US＜0時，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)動的直流伺服電機可以有以下四種工作狀態(tài)：

1）當(dāng)UI＝0時，US的正負(fù)脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導(dǎo)通時間和VT2和VT3導(dǎo)通時間相等，通過電樞繞組中的平均電流為零，電動機不轉(zhuǎn)。

2）當(dāng)UI＞0時，US的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時間大于VT2和VT3導(dǎo)通時間，通過電樞繞組中的平均電流大于零，電動機正轉(zhuǎn),且隨著UI增加，轉(zhuǎn)速增加。

3)當(dāng)UI＜0時，US的直流分量小于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時間小于VT2和VT3導(dǎo)通時間，通過電樞繞組中的平均電流小于零，電動機反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著UI的減小而增加。

4）當(dāng)UI≤UTPP／2或UI≤-UTPP／2時，US為正或負(fù)的直流信號，VT1和VT4于或VT2和VT3始終導(dǎo)通，電機在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

結(jié)束語

本文所述的直流電機調(diào)速系統(tǒng)以TL494為核心，構(gòu)成H橋雙極式PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)，較好地實現(xiàn)了對直流電機的速度控制，并具有精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。從實際運用來看，TL494用于直流電機的PWM調(diào)速，不僅具有良好的性能，而且經(jīng)濟(jì)可靠，因而具有很大的實用價值。