基于TL494的H桥直流电机控制系统

基于TL494的H桥直流电机控制系统
王大江;吴金强
【摘要】本文介绍了以TL494为核心,采用PWM技术的直流电机控制系统.详细介绍了直流电机PWM调速控制原理、接口电路设计、H桥功率驱动原理与其电路设计.实验表明,基于TL494的H桥直流电机控制系统可简化电路结构,驱动能力强,功耗低并且控制方便,性能稳定.
【期刊名称】《传动技术》
【年(卷),期】2010(024)002
【总页数】4页(P33-36)
【关键词】TL494;PWM;H桥;直流电机
【作者】王大江;吴金强
【作者单位】新疆大学机械工程学院,乌鲁木齐,830008;新疆大学机械工程学院,乌鲁木齐,830008
【正文语种】中文
【中图分类】TM33
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[1]：
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 UT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。

图1 电压-脉宽比较器Fig.1 Votage-pulse comparator
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。

图2 PWM脉宽调制波形Fig.2 PWM pulse modulation wave shape
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。

图3 直流电机驱动控制总流程图Fig.3 DC motor drive control flow chart
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[2]：
◆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5 V参考基准电压源。

◆可调整死区时间。

◆内置功率晶体管可提供500 mA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：
图4 T L494结构图Fig.4 TL494 structure diagram
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120 mV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—3.3 V 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
图5 基于TL494推挽式输出的电路设计Fig.5 Baseon TL494 push output cirucit design
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6 H桥功率驱动电路Fig.6 H bridge power drive circuit
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,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。

参考文献
【相关文献】
[1]郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础.北京：机械工业出版社,1997.7.
[2]谢春林.电压驱动型脉宽调制器 TL494[J].国外电子元器件,2001.
[3]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,1999.
[4]蔡长春.直流电机的发展和应用[J].微电机,2003,36：87-88.。