基于PWM技术的直流电机控制系统

由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。


１.直流电机PWM调速控制原理

众所周知，直流电动机转速公式为：

n=(U-IR)/Kφ

其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。

直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制 (PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。

PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。

电压-脉宽变换器结构如图1所示，由三角波发生器、加法器和比较器组成。三角波发生器用于产生一定频率的三角波U_T，该三角波经加法器与输入的指令信号U_I相加，产生信号U_I+U_T，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。一般情况下，比较器负输入端接地，信号U_I+U_T从正端输入。当U_I+U_T＞０时，比较器输出满幅度的正电平；当U_I+U_T＜０时，比较器输出满幅度的负电平。



电压－脉宽变换器对信号波形的调制过程如图2所示。由于比较器的限幅特性，输出信号Ｕ_S的幅度不变，但脉冲宽度随U_I的变化而变化，Ｕ_S的频率由三角波的频率所决定。

当指令信号U_I＝０时，输出信号Ｕ_S为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。

当U_I＞０时，Ｕ_S的正脉宽大于负脉宽。

当U_I＜０时，Ｕ_S的正脉宽小于负脉宽。

当U_I≥Ｕ_TPP／２时（Ｕ_TPP是三角波的峰值），Ｕ_S为一正直流信号；当U_I≤Ｕ_TPP／２时，Ｕ_S为一负直流信号。



2.直流电机驱动控制总流程图

直流电机驱动控制电路分为控制信号电路、脉宽调制电路、驱动信号放大电路、H桥功率驱动电路等部分，控制总流程如图3所示。



由图3可以看出，首先由单片机发出电机逻辑控制信号，主要包括电机运转方向信号Dir，电机调速信号PWM及电机制动信号Brake，然后由TL494进行脉宽调制，其输出信号驱动H桥功率电路来驱动直流电机。其中H桥是由4个大功率增强型场效应管构成的，其作用是改变电机的转向，并对驱动信号进行放大。

3. TL494脉冲宽度调制电路

3．1 TL494各管脚功能。

在实现电机PWM控制的电路中，本系统选用TL494芯片，其内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。，共16个管脚，其功能结构如图4所示。



TL494芯片广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。其片内资源有：

集成了全部的脉宽调制电路。

片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。

内置误差放大器。

内止5V参考基准电压源。

可调整死区时间。

内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。

推或拉两种输出方式。

3.2工作原理简述

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：



输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间，约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

该芯片具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。

3.3基于TL494推挽式输出的电路设计

该控制系统的具体实现电路如图5所示。系统功率驱动选用MOSFET,其输入阻抗很高,可直接由晶体三极管驱动。TL494的13脚用来控制输出模式。在该系统中,选择将该端输入为低电平,这时TL494内触发器Q1和Q2不起作用,两路输出相同,其频率和振荡器频率相同、最大占空比为98%。



4.H桥功率驱动原理与电路设计

驱动信号在经TL494的脉宽调制后,在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。这种驱动电路可方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂。H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET。其电路图如图6所示。



图图中VCC为电机电源电压，，输出端并联一只小电容，用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。4个二极管为续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。ＵS来自TL494的输出， -ＵS可通过对ＵS反相获得。当ＵS＞0时，VT1和VT4导通，ＵS＜0时，VT2和VT3导通。

按照控制指令的不同情况，该功放电路及其所驱动的直流伺服电机可以有以下四种工作状态：

1）当UI＝0时，ＵS的正负脉宽相等，直流分量为零，VT1和VT4的导通时间和VT2和VT3导通时间相等，通过电枢绕组中的平均电流为零，电动机不转。
2）当UI＞0时，ＵS的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VT1和VT4的导通时间大于VT2和VT3导通时间，通过电枢绕组中的平均电流大于零，电动机正转,且随着UI增加，转速增加。
3) 当UI＜0时，ＵS的直流分量小于零，VT1和VT4的导通时间小于VT2和VT3导通时间，通过电枢绕组中的平均电流小于零，电动机反转，且反转转速随着UI的减小而增加。
4）当UI≤ＵTPP／２或UI≤-ＵTPP／２时，ＵS为正或负的直流信号，VT1和VT4于或VT2和VT3始终导通，电机在最高转速下正转或反转。

结束语

本文所述的直流电机调速系统以TL494为核心，构成H桥双极式PWM直流电机调速系统，较好地实现了对直流电机的速度控制，并具有精度高、响应速度快、稳定性好等优点。从实际运用来看， TL494用于直流电机的PWM调速，不仅具有良好的性能，而且经济可靠，因而具有很大的实用价值。