《伺服與運動控制》2012第三期　供稿  

      由于直流電機具有良好的起動、制動和調速性能，已廣泛應用于工業、航天領域等各個方面。隨著電力電子技術的發展，脈寬調制（PWM）調速技術已成為直流電機常用的調速方法，具有調速精度高、響應速度快、調速范圍寬和功耗低等特點。而以H橋電路作為驅動器的功率驅動電路，可方便地實現直流電機的四象限運行，包括正轉、正轉制動、反轉、反轉制動，已廣泛應用于現代直流電機伺服系統中。


 １.直流電機PWM調速控制原理

眾所周知，直流電動機轉速公式為^【1】：

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為電動機結構參數。

      直流電機轉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，大多數應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現，其中脈沖寬度調制 (PWM)便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。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，其作用是根據控制指令信號對脈沖寬度進行調制，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通時間，實現對電樞繞組兩端電壓的控制。

      電壓-脈寬變換器結構如圖1所示，由三角波發生器、加法器和比較器組成。三角波發生器用于產生一定頻率的三角波U_T，該三角波經加法器與輸入的指令信號U_I相加，產生信號U_I+U_T，然后送入比較器。比較器是一個工作在開環狀態下的運算放大器，具有極高的開環增益及限幅開關特性。兩個輸入端的信號差的微弱變化，會使比較器輸出對應的開關信號。一般情況下，比較器負輸入端接地，信號U_I+U_T從正端輸入。當U_I+U_T＞０時，比較器輸出滿幅度的正電平；當U_I+U_T＜０時，比較器輸出滿幅度的負電平。



      電壓－脈寬變換器對信號波形的調制過程如圖2所示。由于比較器的限幅特性，輸出信號Ｕ_S的幅度不變，但脈沖寬度隨U_I的變化而變化，Ｕ_S的頻率由三角波的頻率所決定。

      當指令信號U_I＝０時，輸出信號Ｕ_S為正負脈沖寬度相等的矩形脈沖。

      當U_I＞０時，Ｕ_S的正脈寬大于負脈寬。

      當U_I＜０時，Ｕ_S的正脈寬小于負脈寬。

      當U_I≥Ｕ_TPP／２時（Ｕ_TPP是三角波的峰值），Ｕ_S為一正直流信號；當U_I≤Ｕ_TPP／２時，Ｕ_S為一負直流信號。



2.直流電機驅動控制總流程圖

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



      由圖3可以看出，首先由單片機發出電機邏輯控制信號，主要包括電機運轉方向信號Dir，電機調速信號PWM及電機制動信號Brake，然后由TL494進行脈寬調制，其輸出信號驅動H橋功率電路來驅動直流電機。其中H橋是由4個大功率增強型場效應管構成的，其作用是改變電機的轉向，并對驅動信號進行放大。

3. TL494脈沖寬度調制電路

3．1 TL494各管腳功能。

      在實現電機PWM控制的電路中，本系統選用TL494芯片，其內部電路由基準電壓產生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、兩個誤差放大器、脈寬調制比較器以及輸出電路等組成。，共16個管腳，其功能結構如圖4所示。



      TL494芯片廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。其片內資源有【2】：

  集成了全部的脈寬調制電路。

  片內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）。

  內置誤差放大器。

  內止5V參考基準電壓源。

  可調整死區時間。

  內置功率晶體管可提供500mA的驅動能力。

  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制電路，內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行調節，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行比較來實現。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩觸發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，一路送至死區時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區時間，約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當把死區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生附加的死區時間。

      該芯片具有抗干擾能力強、結構簡單、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計

      該控制系統的具體實現電路如圖5所示。系統功率驅動選用MOSFET,其輸入阻抗很高,可直接由晶體三極管驅動。TL494的13腳用來控制輸出模式。在該系統中,選擇將該端輸入為低電平,這時TL494內觸發器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橋功率驅動原理與電路設計

      驅動信號在經TL494的脈寬調制后,在直流電機控制中常用H橋電路作為驅動器的功率驅動電路。這種驅動電路可方便地實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點，滿足高速開關動作需求，因此常用功率MOSFET構成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，，輸出端并聯一只小電容，用于降低感性元件電機產生的尖峰電壓。4個二極管為續流二極管，可為線圈繞組提供續流回路。當電機正常運行時，驅動電流通過主開關管流過電機。當電機處于制動狀態時，電機工作在發電狀態，轉子電流必須通過續流二極管流通，否則電機就會發熱，嚴重時甚至燒毀。ＵS來自TL494的輸出， -ＵS可通過對ＵS反相獲得。當ＵS＞0時，VT1和VT4導通，ＵS＜0時，VT2和VT3導通。

      按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅動的直流伺服電機可以有以下四種工作狀態：

1）當UI＝0時，ＵS的正負脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導通時間和VT2和VT3導通時間相等，通過電樞繞組中的平均電流為零，電動機不轉。
2）當UI＞0時，ＵS的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導通時間大于VT2和VT3導通時間，通過電樞繞組中的平均電流大于零，電動機正轉,且隨著UI增加，轉速增加。
3) 當UI＜0時，ＵS的直流分量小于零，VT1和VT4的導通時間小于VT2和VT3導通時間，通過電樞繞組中的平均電流小于零，電動機反轉，且反轉轉速隨著UI的減小而增加。
4）當UI≤ＵTPP／２或UI≤-ＵTPP／２時，ＵS為正或負的直流信號，VT1和VT4于或VT2和VT3始終導通，電機在最高轉速下正轉或反轉。

結束語

      本文所述的直流電機調速系統以TL494為核心，構成H橋雙極式PWM直流電機調速系統，較好地實現了對直流電機的速度控制，并具有精度高、響應速度快、穩定性好等優點。從實際運用來看， TL494用于直流電機的PWM調速，不僅具有良好的性能，而且經濟可靠，因而具有很大的實用價值。