TL494推挽式輸出的電路設計(基於TL494的H橋直流電機控制系統)

　　摘要：介紹了以TL494為核心，採用PWM技術的直流電機控制系統。基於TL494的H橋直流電機控制系統可簡化電路結構、驅動能力強、功耗低並且控制方便，性能穩定。

　　由於直流電機具有良好的起動、制動和調速性能，已廣泛應用於工業、航天領域等各個方面。隨著電力電子技術的發展，脈寬調製（PWM）調速技術已成為直流電機常用的調速方法，具有調速精度高、響應速度快、調速範圍寬和功耗低等特點。而以H橋電路作為驅動器的功率驅動電路，可方便地實現直流電機的四象限運行，包括正轉、正轉制動、反轉、反轉制動，已廣泛應用於現代直流電機伺服系統中。

　　1、直流電機PWM調速控制原理

　　眾所周知，直流電動機轉速公式為：

　　

　　直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法用得很少，大多數應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現，其中脈衝寬度調製（PWM）便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值（即佔空比）來調整直流電機的電樞電壓U，從而控制電機速度。

　　PWM的核心部件是電壓-脈寬變換器，其作用是根據控制指令信號對脈衝寬度進行調製，以便用寬度隨指令變化的脈衝信號去控制大功率電晶體的導通時間，實現對電樞繞組兩端電壓的控制。

　　電壓-脈寬變換器結構如圖1所示，由三角波發生器、加法器和比較器組成。三角波發生器用於產生一定頻率的三角波UT，該三角波經加法器與輸入的指令信號UT相加，產生信號UI+UT，然後送入比較器。比較器是一個工作在開環狀態下的運算放大器，具有極高的開環增益及限幅開關特性。兩個輸入端的信號差的微弱變化，會使比較器輸出對應的開關信號。一般情況下，比較器負輸入端接地，信號UI+UT從正端輸入。當UI+UT》0時，比較器輸出滿幅度的正電平;當UI+UT《0時，比較器輸出滿幅度的負電平。

　　

　　圖1電壓-脈寬比較器

　　電壓-脈寬變換器對信號波形的調製過程如圖2所示。由於比較器的限幅特性，輸出信號Us的幅度不變，但脈衝寬度隨UI的變化而變化，Us的頻率由三角波的頻率所決定。

　　當指令信號UI=0時，輸出信號Us為正負脈衝寬度相等的矩形脈衝。當UI》0時，Us的正脈寬大於負脈寬。當UI《0時，Us的正脈寬小於負脈寬。當UI》UTPP/2時（UTPP是三角波的峰值），Us為一正直流信號;當UI《UTPP/2時，Us為一負直流信號。

　　

　　圖2PWM脈寬調製波形

　　2、直流電機驅動控制總流程圖

　　直流電機驅動控制電路分為控制信號電路、脈寬調製電路、驅動信號放大電路、H橋功率驅動電路等部分，控制總流程如圖3所示。

　

　　圖3直流電機驅動控制總流程圖

　　由圖3可以看出，首先由單片機發出電機邏輯控制信號，主要包括電機運轉方向信號Dir，電機調速信號PWM及電機制動信號Brake，然後由TL494進行脈寬調製，其輸出信號驅動H橋功率電路來驅動直流電機。其中H橋是由4個大功率增強型場效應管構成的，其作用是改變電機的轉向，並對驅動信號進行放大。

　　3、TL494脈衝寬度調製電路

　　3.1TL494各管腳功能

　　在實現電機PWM控制的電路中，本系統選用TL494晶片，其內部電路由基準電壓產生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、兩個誤差放大器、脈寬調製比較器以及輸出電路等組成。共16個管腳，其功能結構如圖4所示。

　　TL494晶片廣泛應用於單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。其片內資源有：

　　◆集成了全部的脈寬調製電路。

　　◆片內置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）。

　　◆內置誤差放大器。

　　◆內止5V參考基準電壓源。

　　◆可調整死區時間。

　　◆內置功率電晶體可提供500mA的驅動能力。

　　◆推或拉兩種輸出方式。

　　3.2工作原理簡述

　　TL494是一個固定頻率的脈衝寬度調製電路，內置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調節，其振蕩頻率如下：

　　

　　

　　圖4TL494結構圖

　　輸出脈衝的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現。功率輸出管Q1和Q2受控於或非門。當雙穩觸發器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大於控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈衝的寬度將減小。

　　控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區時間，約等於鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出佔空比為96%，而輸出端接參考電平時，佔空比為48%。當把死區時間控制輸入端接上固定的電壓（範圍在0—3.3V之間）即能在輸出脈衝上產生附加的死區時間。

　　該晶片具有抗幹擾能力強、結構簡單、可靠性高以及價格便宜等特點。

　　3.3基於TL494推挽式輸出的電路設計

　　該控制系統的具體實現電路如圖5所示。系統功率驅動選用MOSFET，其輸入阻抗很高，可直接由晶體三極體驅動。TL494的13腳用來控制輸出模式。在該系統中，選擇將該端輸入為低電平，這時TL494內觸發器Q1和Q2不起作用，兩路輸出相同，其頻率和振蕩器頻率相同、最大佔空比為98%。

　

　　圖5基於TL494推挽式輸出的電路設計

　　4、H橋功率驅動原理與電路設計

驅動信號在經TL494的脈寬調製後，在直流電機控制中常用H橋電路作為驅動器的功率驅動電路。這種驅動電路可方便地實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。由於功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點，滿足高速開關動作需求，因此常用功率MOSFET構成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個功率MOSFET分別採用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOS-FET一般不用於下橋臂驅動電機，上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET。其電路圖如圖6所示。

　　

　　圖6H橋功率驅動電路

　　圖中VCC為電機電源電壓，輸出端並聯一隻小電容，用於降低感性元件電機產生的尖峰電壓。4個二極體為續流二極體，可為線圈繞組提供續流迴路。當電機正常運行時，驅動電流通過主開關管流過電機。當電機處於制動狀態時，電機工作在發電狀態，轉子電流必須通過續流二極體流通，否則電機就會發熱，嚴重時甚至燒毀。Us來自TL494的輸出，-Us可通過對Us反相獲得。當Us》0時，VT1和VT4導通，Us《0時，VT2和VT3導通。

　　按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅動的直流伺服電機可以有以下四種工作狀態：

　　1）當UI=0時，Us的正負脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導通時間和VT2和VT3導通時間相等，通過電樞繞組中的平均電流為零，電動機不轉。

　　2）當UI》0時，Us的正脈寬大於負脈寬，直流分量大於零，VT1和VT4的導通時間大於VT2和VT3導通時間，通過電樞繞組中的平均電流大於零，電動機正轉，且隨著UI增加，轉速增加。

　　3）當UI《0時，Us的直流分量小於零，VT1和VT4的導通時間，通過電樞繞組中的平均電流小於零，電動機反轉，且反轉轉速隨著UI的減小而增加。

　　4）當UI≤UTPP/2或UI≤-UTPP/2時，Us為正或負的直流信號，VT1和VT4於或VT2和VT3始終導通，電機在最高轉速下正轉或反轉。

　　結束語

　　本文所述的直流電機調速系統以TL494為核心，構成H橋雙極式PWM直流電機調速系統，較好地實現了對直流電機的速度控制，並具有精度高、響應速度快、穩定性好等優點。從實際運用來看，TL494用於直流電機的PWM調速，不僅具有良好的性能，而且經濟可靠，因而具有很大的實用價值。

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