基于PWM技術(shù)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)

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^【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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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U_T，該三角波經(jīng)加法器與輸入的指令信號(hào)U_I相加，產(chǎn)生信號(hào)U_I+U_T，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)U_I+U_T從正端輸入。當(dāng)U_I+U_T＞０時(shí)，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng)U_I+U_T＜０時(shí)，比較器輸出滿幅度的負(fù)電平。



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)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(dāng)指令信號(hào)U_I＝０時(shí)，輸出信號(hào)Ｕ_S為正負(fù)脈沖寬度相等的矩形脈沖。

當(dāng)U_I＞０時(shí)，Ｕ_S的正脈寬大于負(fù)脈寬。

當(dāng)U_I＜０時(shí)，Ｕ_S的正脈寬小于負(fù)脈寬。

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



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。



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【2】：

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：



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。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%。



4.H橋功率驅(qū)動(dòng)原理與電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)在經(jīng)TL494的脈寬調(diào)制后,在直流電機(jī)控制中常用H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(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，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)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(gè)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(dòng)電機(jī)，上下橋臂分別用2個(gè)P溝道功率MOSFET和2個(gè)N溝道功率MOSFET。其電路圖如圖6所示。



圖圖中VCC為電機(jī)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(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓。4個(gè)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(jī)正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)主開(kāi)關(guān)管流過(guò)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過(guò)續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀。ＵS來(lái)自TL494的輸出， -ＵS可通過(guò)對(duì)ＵS反相獲得。當(dāng)ＵS＞0時(shí)，VT1和VT4導(dǎo)通，ＵS＜0時(shí)，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(dòng)的直流伺服電機(jī)可以有以下四種工作狀態(tài)：

1）當(dāng)UI＝0時(shí)，ＵS的正負(fù)脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間和VT2和VT3導(dǎo)通時(shí)間相等，通過(guò)電樞繞組中的平均電流為零，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。
2）當(dāng)UI＞0時(shí)，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(shí)間大于VT2和VT3導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)電樞繞組中的平均電流大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),且隨著UI增加，轉(zhuǎn)速增加。
3) 當(dāng)UI＜0時(shí)，ＵS的直流分量小于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間小于VT2和VT3導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)電樞繞組中的平均電流小于零，電動(dòng)機(jī)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(shí)，ＵS為正或負(fù)的直流信號(hào)，VT1和VT4于或VT2和VT3始終導(dǎo)通，電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

本文所述的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以TL494為核心，構(gòu)成H橋雙極式PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)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(diǎn)。從實(shí)際運(yùn)用來(lái)看， TL494用于直流電機(jī)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(shí)用價(jià)值。

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