直流电机PWM调速控制系统设计

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UT，该三角波经加法器与输入的指令信号UI相加，产生信号UI+UT，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UI+UT从正端输入。当UI+UT＞0时，比较器输出满幅度的正电平；当UI+UT＜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US的幅度不变，但脉冲宽度随UI的变化而变化，US的频率由三角波的频率所决定。

　　当指令信号UI＝0时，输出信号US为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。

　　当UI＞0时，US的正脉宽大于负脉宽。

　　当UI＜0时，US的正脉宽小于负脉宽。

　　当UI≥UTPP／2时（UTPP是三角波的峰值），US为一正直流信号；当UI≤UTPP／2时，US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

3．1TL494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