介绍了以 TL494 为核心，采用 PWM 技术的直流电机控制系统。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。

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：

 

 

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

 

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 2PWM 脉宽调制波形

 

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

 

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：

 

 

 

 

图4 TL494 结构图

 

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%。

 

 

图 5 基于 TL494 推挽式输出的电路设计

 

 

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 MOS-FET 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

 

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。