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)?；赥L494的H橋直流電機(jī)控制系統(tǒng)可簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低并且控制方便，性能穩(wěn)定。

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。

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：

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2PWM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TL494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

3.1、TL494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。

TL494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500mA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：

圖4TL494結(jié)構(gòu)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(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(mén)。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基于TL494推挽式輸出的電路設(shè)計(jì)