隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)技術(shù)的應(yīng)用日益引起人們的重視。本文介紹了一種由TL494為控制核心的脈寬調(diào)制技術(shù)，并將其應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。分析了該系統(tǒng)的工作原理、實(shí)現(xiàn)電路以及PWM控制芯片的結(jié)構(gòu)和具體應(yīng)用。
1.控制系統(tǒng)的工作原理與實(shí)現(xiàn)
1.1系統(tǒng)工作原理
本控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路是采用降壓斬波電路如圖1。
圖1 降壓斬波電路及其波形
直流電源Ud，負(fù)載為電動(dòng)機(jī)(M)，當(dāng)開(kāi)關(guān)器件(VT)被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，直流電壓就加到電動(dòng)機(jī)上，并持續(xù)t1時(shí)間。當(dāng)場(chǎng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，負(fù)載上的電壓為零，并持續(xù)t2時(shí)間。若定義工作周期T=t1+t2，占空比k=t/T，則由波形圖，并根據(jù)直流斬波電路的原理有：
系統(tǒng)輸出電壓平均值Uo為：
其輸出電壓的有效值(U)為：
本系統(tǒng)所采用脈寬調(diào)制(PWM)工作方式，維持T不變，改變t1。
控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2。
圖2 控制系統(tǒng)原理框圖
該系統(tǒng)中電源通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路使電動(dòng)機(jī)工作，而功率驅(qū)動(dòng)電路的通斷由PWM控制芯片控制;系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行取樣，反饋到PWM控制芯片，與電流比較電路的電流值比較，以控制PWM信號(hào)輸出，達(dá)到調(diào)速的目的。系統(tǒng)同時(shí)還對(duì)電源電壓取樣，反饋到PWM控制芯片，與電壓比較電路的電壓值比較，以控制PWM信號(hào)輸出，達(dá)到欠壓保護(hù)的作用。
功率驅(qū)動(dòng)電路采用常見(jiàn)的BUCK電路，開(kāi)關(guān)管選用Power MOSFET。其輸出電壓的調(diào)節(jié)通過(guò)控制器件的開(kāi)通時(shí)問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，考慮電動(dòng)機(jī)的電感影響，輸出電流比較穩(wěn)定，能耗也較低。
1.2PWM控制芯片的選用
在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)的控制電路中，本系統(tǒng)選用TL494芯片。TL494芯片具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。
TL494的內(nèi)部電路(如圖3)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。
圖3 TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
其中1、2腳是誤差放大器1的同相和反相輸入端;3腳是相位校正和增益控制;4腳為間歇期調(diào)理，其上加0～3.3V電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%變化到100%。5、6腳分別用于外接振蕩電阻RT和振蕩電容CT，以確定振蕩器產(chǎn)生鋸齒波的頻率fosc;
式中，RT和CT的取值范圍：RT=5～100kQ，CT=0.001～0.1μF。7腳為接地端;8、9腳和11、10腳分別為T(mén)L494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極;12腳為電源供電端;13腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時(shí)為推挽輸出方式;14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA;15、16腳是誤差放大器2的反相和同相輸入端。
1.3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)電路
該控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4。系統(tǒng)采用電流負(fù)反饋的方式跟蹤電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)通過(guò)對(duì)電源的電壓負(fù)反饋，使系統(tǒng)具有欠壓保護(hù)功能。
圖4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)電路
檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流，并反饋到TL494內(nèi)部誤差放大器1的1腳，與2腳的電流基準(zhǔn)信號(hào)比較，控制TL494的PWM輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的功能。通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻(RES1)的電阻值，即改變?cè)O(shè)定的電流基準(zhǔn)信號(hào)的大小，來(lái)調(diào)節(jié)PWM輸出信號(hào)的占空比，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
通過(guò)對(duì)電源進(jìn)行電壓取樣，并反饋到TI494的內(nèi)部誤差放大器2的15腳，與16腳的電壓基準(zhǔn)信號(hào)比較，控制TL494的PWM輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)功能。
系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)選用Power MOSFET，其輸入阻抗很高，可直接由晶體三極管驅(qū)動(dòng)。TI494的13腳用來(lái)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%。
2.仿真結(jié)果
為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)上述基于PWM技術(shù)的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的電路進(jìn)行系統(tǒng)仿真。設(shè)定該系統(tǒng)的電源電壓Ucc=12V，直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)：Un=12V，In=15A，4極，電樞電阻Ra=0.21Q，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.57kg㎡，通過(guò)改變控制電路的可調(diào)電阻RES1來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不同占空比，當(dāng)輸出占空比分別為0.2、0.65/0.8電動(dòng)機(jī)的電壓和電流波形如圖5所示。
圖5 電動(dòng)機(jī)電壓與電流波形圖
由圖5可以看出在輸出不同的占空比時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電壓和電流的波形穩(wěn)定，這有利于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。這說(shuō)明本文所介紹的基于TL494的PWM控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，而且運(yùn)行穩(wěn)定。
結(jié)論
本文總結(jié)了一種基于TL494芯片的PWM控制技術(shù)，通過(guò)仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、工作穩(wěn)定，而且充分利用TL494芯片的特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有欠壓保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。
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