基于pwm技术的直流电机控制系统设计（基于pwm技术的直流电机控制系统研究）

由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，因此在工业、航空航天等各个方面得到了广泛的应用。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、功耗低等特点。采用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路可以轻松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。在现代直流电机伺服系统中已得到广泛应用。

**1.直流电机PWM调速原理**

众所周知，直流电机的转速公式为：

n=(U-IR)/K

其中，U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢回路总电阻，为每极磁通，K为电机结构参数。

直流电机调速可分为励磁控制法和电枢电压控制法。励磁控制方式很少采用，大多数应用采用电枢电压控制方式。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可以通过多种方式实现，其中脉宽调制(PWM)是常用的改变电枢电压的调速方法。该方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电周期（即占空比）的比值来调节直流电机的电枢电压U，从而控制电机的转速。

PWM的核心部件是电压脉宽转换器。其作用是根据控制指令信号调制脉冲宽度，从而利用宽度随指令变化的脉冲信号来控制大功率晶体管的导通时间，实现对两个电枢绕组的控制。端子电压控制。

电压-脉宽变换器的结构如图1所示，它由三角波发生器、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。三角波通过加法器与输入命令信号UI相加，生成信号UI+UT，然后发送至比较器。比较器是工作在开环状态的运算放大器，具有极高的开环增益和限制开关特性。两个输入端之间的信号差的微弱变化将导致比较器输出相应的开关信号。一般情况下，比较器的负输入端接地，信号UI+UT从正端输入。当UI+UT>0时，比较器输出满量程正电平；当UI+UT0时，US的正脉宽大于负脉宽。

当用户界面

内置功率晶体管提供500mA驱动能力。

有两种输出模式：推式或拉式。

3.2 工作原理简述

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，内置线性锯齿波振荡器。振荡频率可通过外部电阻和电容调节。振荡频率如下：

输出脉冲的宽度是通过将电容CT上的正锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来确定的。功率输出管Q1和Q2由或非门控制。双稳态触发器在时钟信号为低电平时被门控，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才被门控。随着控制信号的增加，输出脉冲的宽度将减小。

控制信号从集成电路外部输入，一路送到死区时间比较器，一路送到误差放大器的输入端。死区时间比较器的输入补偿电压为120mV，限制了最小输出死区时间，约等于锯齿波周期的4%。当输出端接地时，最大输出占空比为96%，输出端连接至参考电压。通常，占空比为48%。当死区时间控制输入端子连接到固定电压（范围在0-3.3V之间）时，可以在输出脉冲上产生额外的死区时间。

该芯片具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高、价格低廉等特点。

3.3 基于TL494推挽输出的电路设计

该控制系统的具体实现电路如图5所示。系统电源驱动器采用MOSFET，其输入阻抗非常高，可以直接用晶体管驱动。 TL494的第13脚用于控制输出模式。在本系统中，选择该端子输入为低电平。此时TL494中的触发器Q1和Q2不工作。两个输出相同，其频率与振荡器频率相同，最大占空比为98%。

**4.H桥功率驱动原理及电路设计**

驱动信号经TL494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。这种驱动电路可以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，满足高速开关动作的要求。因此，H桥电路的桥臂通常采用功率MOSFET。 H桥电路中的四个功率MOSFET分别是N沟道和P沟道。 P沟道功率MOSFET一般不用于驱动下桥臂上的电机。上下桥臂分别采用2个P沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET。 N沟道功率MOSFET。电路图如图6所示。

图中VCC为电机电源电压，输出端并联一个小电容，以降低感性元件电机产生的峰值电压。四个二极管为续流二极管，可以为线圈绕组提供续流电路。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，转子电流必须流过续流二极管，否则电机会发热，严重时甚至烧毁。 US来自TL494的输出，-US可以通过US反转得到。当US0时，VT1和VT4导通，当US0时，VT2和VT3导通。

根据控制指令的不同，功放电路及其驱动的直流伺服电机可有以下四种工作状态：

1）当UI=0时，US正负脉宽相等，直流分量为零，VT1、VT4的导通时间等于VT2、VT3的导通时间，流过电枢绕组的平均电流为零，电机不变。

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的导通时间，平均电流通过电枢绕组的电流大于零，电机正向旋转，且随着UI的增大，转速增大。

3）当用户界面

本文介绍的直流电机调速系统采用TL494为核心组成H桥双极性PWM直流电机调速系统，可以更好地实现直流电机的调速，且精度高、响应速度快、稳定性好。好等待优势。从实际应用来看，TL494用于直流电机的PWM调速。它不仅性能良好，而且经济可靠，具有很大的实用价值。