TL494的PWM直流伺服控制系統(tǒng) - 全文

　　伺服控制系統(tǒng)簡介

　　伺服控制系統(tǒng)是一種能對試驗裝置的機械運動按預定要求進行自動控制的操作系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。伺服系統(tǒng)的結構組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

　　伺服內部結構

　　直流伺服系統(tǒng)的組成和控制原理

　　直流伺服和交流伺服相似，可以采用控制器開環(huán)控制方式，控制器半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　直流伺服系統(tǒng)控制面板結構如下，面板右側為與直流伺服電機接口板的接口，包括電機驅動接口和編碼器接口；左側為與運動控制器面板的接口，包括位置控制模式接口和速度控制模式接口。

　　M+，M-信號為直流無刷伺服電機的電源線，用于驅動電機的運動。

　　A+，A-，B+，B-，C+，C-，5+，0V信號為編碼器信號，用于反饋電機軸的實際位置。

　　A，/A，B，/B，C，/C，+5V，PUL+，DIR+，OGND，OVCC，GND，DAC，RESET，ALM，ENABLE為與控制器相連的控制信號。

　　其含義為：

　　A，/A，B，/B，C，/C為驅動器反饋給運動器控制器的編碼器信號。

　　+5V為電源。

　　PUL+，PUL-為脈沖信號，用于位置模式下的電機控制。

　　DIR+，DIR-為方向信號，用于位置模式下的電機控制。

　　OGND，OVCC，GND分別為模擬地，模擬電源和數(shù)字地。

　　DAC為驅動器接受的模擬控制信號，范圍一般為-10V-10V。

　　RESET，ALM，ENABLE為控制信號，分別表示驅動器的復位，報警以及使能功能。

　　直流伺服驅動器通常具有速度控制模式和位置控制模式。

　　采用位置模式時，輸入控制信號為脈沖和方向（或是正負脈沖），采用速度模式時，輸入控制信號為模擬量。驅動器將輸入信號轉化為速度控制信號，經(jīng)過速度控制器轉化為電流控制信號，電流信號通過PWM回路作用于功率擴大模塊的輸出模塊，最后施加給電機。

　　直流伺服驅動器采用IDM只能伺服驅動器。

　　IDM240/640是嵌入式智能、高精密、全數(shù)字化的伺服驅動器，可驅動方波或正弦波無刷伺服電機（PMSM），直流有伺服電機，通過CAN或RS-485接口可組成多達256個軸的分布式智能網(wǎng)絡運動系統(tǒng)，嵌入的高級可編程運動語言（TML）提供各種高級運動控制和plc專用功能。

　　主要特點如下 ：

　　分布式智能，單軸主控運行或從動軸模式

　　控制模式：位置，速度，轉矩，電壓，外部變量

　　運動模式：脈沖＋方向，電子齒輪，Profiling，Contouring

　　可編程保護：位置誤差，過流，過壓或欠壓，I2t，

　　DSP控制技術：基于MotionChipTM 技術

　　RS232/485串行接口，波特率可達115KB

　　CAN2.0局域總線，兼容CANopen，波特率可達1MHz

　　輸出電流：連續(xù)電流5A/8A，峰值電流16A，

　　電源電壓：12-48VDC（IDM240） ，12-48VDC（邏輯電源）/80V（電機）（IDM640）

　　緊湊結構設計：136 x 84.5 x 26 mm

　　控制軟件采用Easy Motion Studio，控制軟件特點如下：

　　高級圖形化評估分析編程工具EasyMotion Studio平臺快速設置電機、驅動器參數(shù)及編程運動程序，TML_LIB函數(shù)庫是智能化伺服驅動器在 PC上執(zhí)行運動控制應用的一個函數(shù)庫，在C/C++、Basic、Delphi、Labview開發(fā)的應用程序中調用庫中的.DLL文件執(zhí)行后，能直接與驅動器通信、設置參數(shù)、查詢狀態(tài)、傳送命令、定義運動事件，測試輸入輸出口狀態(tài)等。

　　Starter Kit for IDM640：包含驅動器的完整組件，包括一個IDM640驅動器，一個電機，一個I/O板，EasyMotion Studio軟件，以及應用程序的幫助和完整文件。是測試您的運動控制程序的理想實驗平臺。如上所述均包含在一個可立即運行、即插即用的組件中。

　　直流伺服電機包括如下組成部分：

　　定子：磁場—永磁體

　　轉子：電樞繞組

　　換向：換向器與碳刷

　　加于直流電機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電動朝確定的方向連續(xù)旋轉。

　　直流伺服優(yōu)點：

　　? 精確的速度控制

　　? 轉矩速度特性很硬

　　? 原理簡單、使用方便

　　? 價格優(yōu)勢

　　缺點：

　　? 電刷換向

　　? 速度限制

　　? 附加阻力

　　? 產生磨損微粒（對于無塵室）

　　TL494基本特征

　　TL494 的內部電路由基準電壓產生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、兩個運算放大器、脈寬調制比較器以及輸出電路等組成。圖 2 是它的（ 功能） 管腳圖，其中 1 、2 腳是運算放大器 I 的同相和反相輸入端; 3 腳是相位校正和增益控制; 4 腳為死區(qū)時間的整，其上加0 ～3.3V 電壓時可使截止時間從 2 % 線性變化到 100%;5 、6 腳分別用于外接振蕩電容和振蕩電阻; 7 腳為接地端;8 、9 腳和 1 1 、1 0 腳分別為 TL494 內部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極;12 腳為電源供電端;13 腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接 1 4 腳時為推挽輸出方式;14 腳為 5 V 基準電壓輸出端（VREF ），最大輸出電流 10mA;15 、1 6 腳是運算放大器 I I 的反相和同相輸入端。

　　輸出脈沖的寬度調制是由電容 C T 兩端的正向鋸齒波和另外 2 個控制信號進行比較后得到的。只有當鋸齒波電壓小于 3 ，4 兩腳輸入的控制信號時，觸發(fā)器輸出的時鐘才處于低電平。因此，隨著控制信號幅值增加，輸出脈沖的寬度將減少。在死區(qū)時間，控制比較器的輸入端有 0.12V 的失調電壓，限制了輸出最小死區(qū)時間（約占一個周期的 4 ％）。TL494 內部有 2 個誤差放大器EA1，EA2（腳 1 ，2 ，1 5 ，1 6 ）和一個反饋輸入端（腳 3 ）在使用時將反饋信號接入這些腳， 通過調節(jié)每個脈沖的占空比來穩(wěn)定輸出以及進行各種保護。

　　電路結構及工作原理

　　控制系統(tǒng)電路的構成圖如圖 3 所示，對于要求在一定范圍內無極平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為方便，當然這無法彌補電樞壓降所造成的轉速降低，可以通過電樞電流正反饋來補償，電樞電壓的改變可以通過使用 PWM 方法來實現(xiàn)，其主電路為圖4 所示。為了控制方便，采用單極性 PWM 調制方式，在左邊兩個管子的驅動脈沖 U b 1 =-U b 2 ，具有正負交替的脈沖波形，使 V T 1 和 V T 2 交替導通，右邊兩管 V T 3 和 V T 4 是由電機的轉向而確定的， 不同的轉向施加不同的直流控制信號，當電機正轉時，使 U b 3 恒為零，U b 4 恒為正，則V T 3 截止而V T 4 導通;電機反轉時，使 U b 3 恒為正而 U b 4恒為零，則VT 3 導通而 V T 4 截止; 電樞電壓等于

　　本調速系統(tǒng)采用電壓負反饋方式來跟蹤電機轉速，這是因為直流電機的轉速近似與電樞兩端電壓成正比，所以電壓負反饋基本上能夠代替轉速負反饋的作用，當然需要考慮電樞壓降對電機轉速的影響。 為了使該調速系統(tǒng)在調速性能上接近轉速負反饋系統(tǒng)，增加了電流正反饋措施，當負載增大使靜態(tài)轉速降增加時，電流正反饋信號也增大，通過 TL494 的內部誤差放大器和脈寬調制比較器等邏輯電路處理后，使輸出 PWM 波的占空比增加，從而使控制電壓隨之增加，從而補償了轉速的降落。這部分功能是由 TL494 一運放組成比例放大器實現(xiàn)的，即將電流檢測的信號引到 TL494 的 2 腳。由于V T 1 、V T 2 是同一橋臂上的上下管，了防止直通現(xiàn)象出現(xiàn)，設置了死區(qū)控制時間，利用電阻 R79 和 R81 對 1 4腳為 5 V 基準電壓（VREF ）的分壓，來獲得死區(qū)時間的設置。電機軟起動的實現(xiàn)，利用 TL494 的 4 腳（死區(qū)時間控制）的特點，和電阻 R81 、電容 C83 實現(xiàn)，當電源接通時，4 腳電壓為高電壓，沒有脈沖輸出，其電路如圖 5 所示，隨著對電容的充電，4 腳電壓逐步地降低，輸出脈沖的寬度也隨之增大。在 1 5 腳的電壓不變時，當1 6 腳的電壓大于 1 5 腳電壓，運放 I I （作比較用）輸出高電平，經(jīng)過 494 內部的邏輯電路處理后，于是 8 、1 1腳無輸出，起到對電機起到過流保護作用，另外也將過流信號通過電阻 R84 加到死區(qū)控制腳。比例積分調節(jié)器是由 1 、2 腳輸入的運放和外圍電阻、電容組成，電壓檢測信號連到 1 腳，因為當 2 腳給定電壓不變時，1 腳電壓的上升，會導致輸出脈沖寬度的減小，從而穩(wěn)定電機的轉速。

　　實驗結果及波形分析

　　圖 6 、圖 7 是所做實驗時 TL494 第 8 腳的輸出電壓波形，圖 6 是給定最大時的波形，由于考慮到死區(qū)時間的限制，及其他因素的影響，使系統(tǒng)能可靠工作，并沒有將占空比選的很大，圖 7 是在給定減少后所測的波形，從圖可知占空比相應減少，在減少占空比時要考慮電機的出力能夠克服電機的負載轉矩， 不然電機就會停止轉動，這是單極性控制時所需考慮的問題，當然沒有雙極性控制時所出現(xiàn)的電機停止狀態(tài)仍在耗能狀況。由于 PWM 調制頻率高．不需平波電抗將就可得脈動很小的直流電流。動態(tài)速降小，恢復時間短，動態(tài)硬度好，轉矩脈動小，對普通直流電機有較強的適應能力，調試簡便，也能獲得優(yōu)于晶閘管系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

　　結論

　　本文采用 TL494 器件實現(xiàn)單芯片單電源的直流伺服電機的 PWM 控制系統(tǒng)，它不僅電路簡單，可靠性能強，而且可以可靠的實現(xiàn)短路、過流、欠壓和過壓等故障的保護。缺點是當大幅度增減設定值，短時間系統(tǒng)出有很大的偏差，容易引起控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調等故障。