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)。基于 TL494 的 H 橋直流電機(jī)控制系統(tǒng)可簡化電路結(jié)構(gòu)、驅(qū)動能力強(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、制動和調(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)動器的功率驅(qū)動電路，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、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動，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)控制指令信號對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，以便用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對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 UT 相加，產(chǎn)生信號 UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個(gè)工作在開環(huán)狀態(tài)下的運(yùn)算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個(gè)輸入端的信號差的微弱變化，會使比較器輸出對應(yīng)的開關(guān)信號。一般情況下，比較器負(fù)輸入端接地，信號 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 - 脈寬變換器對信號波形的調(diào)制過程如圖 2 所示。由于比較器的限幅特性，輸出信號 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 UI=0 時(shí)，輸出信號 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;當(dāng) UI《UTPP/2 時(shí)，Us 為一負(fù)直流信號。

圖 2PWM 脈寬調(diào)制波形

2、直流電機(jī)驅(qū)動控制總流程圖

直流電機(jī)驅(qū)動控制電路分為控制信號電路、脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動信號放大電路、H 橋功率驅(qū)動電路等部分，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，主要包括電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號 Dir，電機(jī)調(diào)速信號 PWM 及電機(jī)制動信號 Brake，然后由 TL494 進(jìn)行脈寬調(diào)制，其輸出信號驅(qū)動 H 橋功率電路來驅(qū)動直流電機(jī)。其中 H 橋是由 4 個(gè)大功率增強(qiáng)型場效應(yīng)管構(gòu)成的，其作用是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并對驅(qū)動信號進(jìn)行放大。

3、TL494 脈沖寬度調(diào)制電路

3.1TL494 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)動能力。

◆推或拉兩種輸出方式。

3.2 工作原理簡述

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4 TL494 結(jié)構(gòu)圖

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(gè)控制信號進(jìn)行比較來實(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)鐘信號為低電平時(shí)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(dāng)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(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)動選用 MOSFET，其輸入阻抗很高，可直接由晶體三極管驅(qū)動。TL494 的 13 腳用來控制輸出模式。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)

4、H 橋功率驅(qū)動原理與電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動信號在經(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)動器的功率驅(qū)動電路。這種驅(qū)動電路可方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。由于功率 MOSFET 是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開關(guān)動作需求，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 MOS-FET 一般不用于下橋臂驅(qū)動電機(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6 H 橋功率驅(qū)動電路

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)動電流通過主開關(guān)管流過電機(jī)。當(dāng)電機(jī)處于制動狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀。Us 來自 TL494 的輸出，-Us 可通過對 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，通過電樞繞組中的平均電流為零，電動機(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，通過電樞繞組中的平均電流大于零，電動機(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，通過電樞繞組中的平均電流小于零，電動機(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，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

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。