基于TL494的PWM直流电机控制系统设计

xxxx大学

毕 业 论 文（设计）

题 目：姓 名：学 院：专 业：班 级：学 号：指导教师：基于TL494的PWM直流电机控制系统设计

机电工程学院 电气工程及其自动化 2006.01

2010 年 6 月 18 日

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论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 指 导 教 师 签名： 日期： 年 月 日

目 录

摘 要............................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................ II 1 绪 论........................................................................................................................ 1 1.1直流电机的应用 .................................................................................................. 1 1.2课题的研究意义 .................................................................................................. 1 1.3实现功能及设计方法 .......................................................................................... 2 2 直流电机控制系统概述............................................................................................ 3 2.1电机的控制系统介绍 .......................................................................................... 1

2.1.1电机调速控制的应用 ...................................................................................................... 1 2.1.2直流电机调速控制的特点 .............................................................................................. 1

2.2直流电机控制的发展方向 .................................................................................. 2

2.2.1全数字化控制 .................................................................................................................. 2 2.2.2智能控制理论的应用 ...................................................................................................... 3

3 控制主电路的设计.................................................................................................... 4 3.1整流电路 .............................................................................................................. 4

3.1.1电容滤波三相不可控整流电路 ...................................................................................... 4 3.1.2电路主要输出数量关系 .................................................................................................. 5 3.1.3整流管的选择 .................................................................................................................. 6

3.2 H桥控制电路 ...................................................................................................... 6

3.2.1 H桥电路综述 .................................................................................................................. 6 3.2.2开关管选择 ...................................................................................................................... 6 3.2.3 H桥电路设计方法 .......................................................................................................... 9 3.2.4电机保护电路 ................................................................................................................ 10

4 控制器硬件电路设计.............................................................................................. 11 4.1 PWM模块 ......................................................................................................... 11

4.1.1 TL494芯片介绍 ............................................................................................................ 11 4.1.2 TL494工作特性 ............................................................................................................ 12 4.1.3 PWM波生成原理 ......................................................................................................... 13

4.2驱动保护电路 .................................................................................................... 15

4.2.1比较器选择 .................................................................................................................... 16 4.2.2光耦合器 ........................................................................................................................ 17

4.3信号逻辑时序控制电路 .................................................................................... 18

4.3.1过流保护电路及元器件选择 ........................................................................................ 18 4.3.2 CD4023简介 ................................................................................................................. 19 4.3.3 CD4009简介 ................................................................................................................. 20 4.3.4逻辑时序控制电路 ........................................................................................................ 21

4.4 MOSFET驱动设计 ........................................................................................... 21

4.4.1 PWM信号的驱动 ......................................................................................................... 21 4.4.2 PWM控制方式 ............................................................................................................. 22

5 测速电路的设计...................................................................................................... 24 5.1霍尔转速传感器检测装置 ................................................................................ 24

5.2转速测量原理 .................................................................................................... 25 5.3转速信号处理电路 ............................................................................................ 26 5.4 LED数码管动态扫描电路 ............................................................................... 27 6 总结与展望.............................................................................................................. 30 参考文献...................................................................................................................... 31 致谢.............................................................................................................................. 32 附录1........................................................................................................................... 33 附录2........................................................................................................................... 34

基于TL494的PWM直流电机控制系统设计

摘 要

本文介绍了以TL494芯片为核心，采用PWM技术的直流电机控制系统的设计。该控制系统是通过调节PWM信号的占空比来实现对MOSFET管的通断控制，从而实现电机的四象限运行，以及电机的调速测速功能。

文章详细阐述了直流电机PWM调速控制原理、以N沟道增强场效应管为核心的H桥功率驱动原理与其电路设计，文中包括整流电路、保护电路以及对TL494产生的PWM波的驱动。其中保护电路产生的信号接入CD4023芯片进行逻辑运算控制主电路通断。

设计表明基于TL494的PWM直流电机控制系统电路结构简单，驱动能力强，易于理解，是实验教学的理想设备。最后对直流电机控制发展进行了展望。 关键词：整流；TL494；脉宽调制；直流电机；

I

Based On The TL494 PWM Dc-Motor Controller

Abstract

The TL494 chips are introduced in this paper, using PWM technology as the core of dc motor control system design. This control system is through the adjustment of empty PWM signal of the MOSFET tube board, so as to realize the hige control motor and motor quadrant operation speed regulating function.

The paper expounds the dc motor speed control principle, with PWM N channel enhance mosfet as the core principle of power and H bridge circuit design, including the rectifier circuit, and the TL494 protection circuit of PWM waves of the driver. One signal protection circuit chip CD4023 access control arithmetic logic circuit hige.

Based on the design that TL494 PWM control system of dc motor driving circuit is simple in structure, easy to understand, ability, is the ideal equipment of experiment teaching. Finally in dc motor control development was prospected.

Keywords: Rectifying；TL494；Pulse Width Modulation；Dc-Motors；

II

1 绪 论

1.1直流电机的应用

电机的应用在国民经济中起着重要作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电机。电机既可作为产生电能的工具，也是电能应用的主要形式。据资料统计，我国生产的电能约60%用于电动机[1]。

由于直流电动机具有优良的调速控制特性，其调速平滑、方便，所从，在工业及人们生活中都在广泛地使用直流电机系统。电机制造技术主要是电机本体优化设计、加工制造、工艺技术等，设计较多的传统电工及机械、材料学科的内容。电机控制技术则主要服务于电机的运行、特性控制，最主要是电动机的速度控制和发电机的励磁调节[2]。随着电力电子技术、微电子技术、微机控制技术在电机控制中的应用，电机控制是以电子控制为主要形式，已逐渐成为了一门以电机为机械本体，集信息技术、微电子技术与工作机械于一体的机电一体化技术，更是高新技术改造传统机电技术的重要手段。直流电机已经成为推动人们生活的一个主要工具，这样对直流电机的控制就是永远的话题。

1.2课题的研究意义

我国环境保护的基本国策是发展经济不能以牺牲环境为代价。随着汽车、摩托车等燃油车工业的迅猛发展，排气污染越来越严重。这样，低污染、控制方便。节能的电机在现实应用中尤为重要。通过PWM控制功率转换电路，可以方便的实现对电机调速控制，并且起到节约能源的作用。

TL494其有输出PWM脉冲的性能以及自身带有运算放大器,就使设计的外围电路简单，性能稳定。设计中加入了保护电路保证控制器的正常工作，并且尽可能的排除电机运行中的安全隐患。

随着电力电子技术的发展，脉宽调制直流调速技术已成为直流电机最常用的一种调速方式，它驱动能力强、调速精度高、响应速度快、调速范围广、调速特性平滑、过载能力较强和耗损低等特点,对我国工业自动化控制发展起着重要作用。

1

1.3实现功能及设计方法

通过电机控制器的规格要求，我们希望本设计满足一下要求： 1）对三相电整流使直流电机正常运转 2) 最新的电路设计和MOSFET技术 3) 串励或者永磁电机 4) 强电流和强化街头的能力 5) 电气隔离和过电流保护能力 6) 耐久力、环境适应力强 7) 加速度可调 8) 电路结构简单 9) 功率器件：MOSFET 10) 调节方式：PWM 11）调整方法：电阻器

根据以上要求，我们预计使用可调电阻控制电机的运转速度和工作时间。运用放大器和耦合器，对电路实现电气隔离以及对控制其内部进行多种保护措施。

实现方法，利用占空比可调的PWM信号，通过调节可变电阻调节PWM信号的占空比，并使用H桥MOSFET来控制电路的通断，控制电机工作的时间。通过过流信号检测接入TL494与非门来控制PWM的通断，实现电路过流保护。

直流电机驱动控制电路分为脉宽调制电路、驱动信号放大电路和H桥功率驱动电路过流保护电路等部分，控制总流程如下图所示：

2

过流保护测速装置电源AC-DCH桥驱动电路直流电机电流检测PWM信号驱动TL494调制电路电流比较值

图1-1 设计流程图

众所周知，直流电机转速公式为：

n?U?IR 公式（1-1） CE?式中，U为电枢供电电压；?为励磁磁通；I为电枢电流；R为电枢回路总电阻；CE是由电机结构决定的电动势常数[3]。所以对直流电机电枢电压U进行控制从而达到对电机转速控制。直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。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来调整直流电机的电枢电压，从而控制电机转速。

3

2 直流电机控制系统概述

2.1电机的控制系统介绍

2.1.1电机调速控制的应用

现在的国民工业生产中实现电机的速度控制主要有两种情况： 1）满足实际应用中的要求

由于直流电机良好的启动、制动和调速性能，可以方便的实现电机的四象限运行，包括正传、正传制动、反转、反转制动，已经广泛应用于现代直流电机伺服系统。比如电梯、机床、纺织等传动，特别轧钢设备是高性能调速技术的应用场合。

2）调速控制实现节能

目前，工业用电的三分之二为电机所消耗，而在居民用电中这一比例亦高达四分之一，有鉴于此，电机的效率问题继续受到更大的关注。标准的电机应用完全能以更高的能量效率运行，就电能到机械能的转换而言，大多数电机的效率较低。对于水泵、拖动风机，过去的电机恒速运行，依靠挡板或者阀门调节转速，致使大量的能量以发热的形式消耗掉，而为能变换为有用的机械能。如果实现节能调节速度方式调节流量，电机的输入功率降低，可以产生多达30%的节能效果。对于能源日渐稀缺的今天。这是优化调速最大的现实意义。 2.1.2直流电机调速控制的特点

由于直流电机的构造可以知道一个小的制造失误就可能带来较大的机械磨损。调速时从直流电机需要设置机械转向器和电刷，这就使得直流调速存在固有的缺陷：

1）电枢容易磨损，因此需要经常对电机进行维护，同时换向器结构复杂，增加制作成本。直流电机在运行中电刷容易产生火花，因此这就限制了电机的适用场合，不能适用于炼油、化工等易燃、易爆的场合。

2）无法制造大功率直流电机。由于存在换向问题，所以直流电机难以适应大容量、高转速、高电压要求的电机，它的极限容量与转速乘机被限制在106kw*r/min，这一局限远远不能适应高速大容量化的工业发展要求。直流电机在精密车床、机器人等小容量高精度控制领域应用很广泛[4]。

1

一般来说，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发展，改变电枢电压可通过多种方法实现，其中脉冲宽度调制便是最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，从而达到控制电机转速的目的。

2.2直流电机控制的发展方向

随着技术的发展，直流电机的控制已经是一门集电极运行理论、电力电子技术、自动控制理论和危机控制技术于一体的机电一体化技术，特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件（GTR、GTO、MOSFET、IGBT等）的发展，以及脉宽调制直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。为适用小型直流电机的使用要求，个半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动要求。 2.2.1全数字化控制

随着微机运算速度的提高、存储器的大容量化，电机控制系统已经朝着全数字控制、高智能方向发展。目前除采用各类单片微机作为数字控制器核心外，数字信号处理器(DSP)已展现出越来越大的优势。与普通单片机相比，DSP改变了集成电路结构、提高了时钟频率，采用指令列排队方式来提高运行效率，更集成了硬件乘法器，大大缩短了乘、除运算时间，特别适合于复杂数学运算。近来又增加了I/O口，提高了作为微控制器的功能。形成了电机控制专用系列，已在商品变频器中得到了应用[2]。高性能可编程DSP控制器所实现的智能控制技术，将为电机系统的设计者提供开发新一代节能电机所需的平台。

20世纪80年代后期，又出现了一种精简指令集算计RISC，它依靠硬件与软件的优化组合，提高了常用基本指令的执行速度，丢弃了一些运算复杂而不常用的指令，实现了在一个给定周期内并行执行多条指令的能力，以此提高了软件总体效率和执行速度，以一种新的方式解决了数字控制实时性问题。

同时为了持续优化控制器，出现了高级专用集成电路ASIC，甚至还有包括一个完整控制系统的ASIC。现在开发各种新一代ASIC已成为先进电器公司当前技术竞争的主要手段。

2

如果用户欲自己开发电机专用控制芯片，现场可编辑门阵列FPGA是一种有效解决方案，这种逻辑器件可适应用户要求实现多次改写，一片FPGA包含有少则几千、多则几十万个逻辑门，可以用来实现非常复杂的运算，以此替代多块集成电路和分立元件，而现在DSP+FPGA+IPM构成电机控制系统已是一种更先进的硬件格局。 2.2.2智能控制理论的应用

基于现代控制理论的滑模变结构控制、采用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等均已引入电机控制。但这些方法仍建立在对象精确的数学模型之上，需要大量传感器、观察器，结构复杂，仍无法摆脱系统非线性和参数变化的影响。直流调速系统主要采用的方法是变压调速，即调节电枢供电电压时需要有专门的可控直流电源。

目前常用的可控直流电源有静止式可控整流器和直流斩波器或脉宽调制(PWM)变换器。其中脉宽调制变换器用的最为广泛，因为PWM(Pulse Width Modulation)控制技术是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)，因其对电压的控制较为精准，且PWM技术已经非常的成熟，所以用作直流电机的精确控制，实现节能。

3

3 控制主电路的设计

3.1整流电路

整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电。应用十分广泛，电路形式肚中多样，各具特色。

可以从各种角度对整流电路进行烦恼类，主要分类方法有：按组成的期间可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相可分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

近年来，在交-直-交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供负载使用。目前最常用的是单相桥式和三相桥式两种接法。由于设计接入的为三相电，而且电容滤波适用于输出电压较高负载电流较小且负载变化不大的场合，因此主要介绍电容滤波三相不可控整流电路。 3.1.1电容滤波三相不可控整流电路

在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常见的是三相桥式结构。

图3-1 电容滤波的三相桥式不可控整流电路

电容滤波的三相不可控整流电路结构如上图所示，该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容充当电源向负载R供电，电容两端电压ud按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点?角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时问零点，则线电压为：

4

Uab?6Em*sin(?t??) 公式（3-1）

而相电压为：

Ua?2Em*sin(?t???) 公式（3-2）

6?在?t=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通[4]，直流侧电压等于Uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于Uab。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的；另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，如是连续的。介于二者之间的临界情况是：VD6和VD2同时导通的阶段与VD1和VD2在?t???2?/3处恰好衔接了起来，id恰好连续。

由前面所述电压下降速度相等的原则，可以确定临界条件。假设在?t???2?/3的时刻速度相等恰好法师，则有?rc?3，这就是临街条件。对一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R?3/?c。 3.1.2电路主要输出数量关系

输出电压平均值，空载时，输出电压平均值最大：Ud=6U2=2.45U2。

随着负载加重，输出电压平均值减小，至?RC=3进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其均值为Ud=2.34U2。可见Ud在2.34和2.45之间变化。与电容滤波的单向桥式不可控整流电路相比，Ud的变化范围小很多，当负载加重到一定程度后，Ud就稳定在2.34U2不变了。

主电路电流Id0wt

图3-2 电流波形图

输出电流平均值Ir=Ud/R与单相电路一样，电容电流iC平均值为零，因此

5

Id=IR

在一个电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为Id的1/3，即

IVD=Id/3=IR/3 公式（3-3）

二极管承受的反向电压最大值为线电压的峰值即6U2。 3.1.3整流管的选择

IN5408是普通的整流二极管。其参数为： 1）最高反向峰值电压 1000V 2）平均整流电流 3A 3）最大峰值浪涌电流 200A 4）最大反向漏电流 5uA 5）正向压降 1V

选用IN5408可以满足整流电路的要求。

3.2 H桥控制电路

3.2.1 H桥电路综述

直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以方便的实现直流电机的四象限运行，分别对应电机的正传、反转及正反转制动。MOSFET H桥电路上臂栅极是在源极的基础上浮动的，栅极电压时驱动电路中的最高电压。下臂栅极驱动电压以地为参考点，只要满足栅极电压大于开启电压值就可以开通工作。 3.2.2开关管选择

场效应管（FET）是一种电压控制电流器件，电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流，因此它最大的特点是驱动电路简单，需要驱动功率小。其第二个特点是输入电阻高，噪声系数低，受温度和辐射影响小。因而特别使用于高灵敏度、低噪声电路中。 一、MOSFET的结构

MOSFET种类和结构繁多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。当栅极电压为零时露源

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极之间就存在到点沟道的成为耗尽层；对于N(P)沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的成为增强型。下图为N沟道增强型场效应管。

图3-3 NMOS管

当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P基区与N飘逸去之间无电流流过。如果在栅极和源极之间加以正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型而成N型半导体，形成反型层，该反型层形成N沟道而是PN结消失，漏极和源极导电。电压UT成为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。 二、MOSFET的工作特性 1）伏安特性与电流方程：

增强型NMOS管的转移特性：在一定VDS下，栅-源电压VGS与漏极电流ID之间的关系：

图3-4 伏安特性和电流方程

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图3-4中IDO是VGS=2VT时的漏极电流。 2）输出特性(漏极特性)

漏极电流ID漏-源电压VDS之间的关系：

。

图3-5 MOSFET输出特性

与三极管的特性相似，也可分为3个区：可变电阻区，放大区(恒流区、饱和区)，截止区(夹断区)。可变电阻区管子导通，但沟道尚未预夹断，即满足的条件为：

公式（3-4）

在可变电阻区ID仅受VGS的控制，而且随VDS增大而线性增大。可模拟为受VGS控制的压控电阻RDS，

公式（3-5）

放大区(沟道被预夹断后)，又称恒流区、饱和区。条件是：

公式（3-6）

特征是ID主要受VGS控制，与VDS几乎无关，表现为较好的恒流特性。 夹断区又称截止区，管子没有导电沟道( VGS＜VT )时的状态，ID约等于零。

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。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。

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3.2.3 H桥电路设计方法

H型全桥式驱动电路中的四只开关管为四只场效应管，其中，S1、S2为一组，S3、S4为一组。这两组管子状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。

图3-6 场效应管在H桥中的应用

当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在实际控制中，需要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、S4关断到S1、S2关断且S3、S4导通这两种状态间转换。

图3-7 NMOS管动态特性

这种情况理论上要求两组控制信号完全互补。但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间。绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。

为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性。两组控制信号理论上要

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求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，这个校正过程既可通过硬件实现。即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时。S1、S2、S3、S4的四只场效应管用基于TL494的直流脉宽电路进行驱动来实现对角两只管的通断，从而实现对电机正反转的控制。 3.2.4电机保护电路

当电机处于制动状态时，电机处于发电状态，这时电机实际就是一个发电机，它产生的转子电流必须由四只二极管构成的回路导通，否则电机就会发热，严重时甚至会烧毁电机。

图3-6中的四只开关管为二极管。选用IN4004-4007均可。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，制动时，二极管起续流的作用，防止无回路发热烧坏电机。

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4 控制器硬件电路设计

上一节介绍的H桥由四个MOSFET管组成，对其通断的控制可实现直流电机的控制，而人为的控制其通断是不可能的，因此正如本次设计的课题所示，采用TL494来产生PWM波从而实现对电机的控制。

4.1 PWM模块

4.1.1 TL494芯片介绍

TL494是美国德州仪器( Texas Instrument)公司的产品该芯片具有能够任意调节死区时间、驱动能力强、性能稳定等特点。其内部含有两个误差放大器、锯齿波振荡器、PWM比较器、脉冲控制 触发器、脉冲输出控制门、一个+ 5V 基准电源以及两个NPN输出晶体管等[8]。

T L494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，其震荡频率为

f?1.1 公式（4-1） Rt*Ct输出脉冲的宽度是通过电容C上的正极性锯齿波电压与另外2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。

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。

图4-1 TL494内部结构图

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而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部，从而产生额外的压差。偏置电流(Ibias)定义为两个比较器输入电流的中值，用于衡量输入阻抗的影响。

漏源电压：由于比较器仅有两个不同的输出状态(零电平或电源电压)，且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压，对应于MOSFFET的漏源电压。

本设计采用LM393为双电压比较器，LM393系列由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成。该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。该产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。本品还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。LM393 系列可直接与TTL及CMOS逻辑电路接口。无论时正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，LM393系列便与MOS逻辑电路直接接口。

各引脚功能：

8脚电源＋，4脚电源－，1脚比较器A输出，2脚比较器A反相输入，3脚比较器A同向输入，5脚比较器B同向输入，6脚比较器B反相输入，7脚比较器B输出。 4.2.2光耦合器

图4-7 光耦合器

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。如上图所示是一个普通型光耦合器符号，其响应时间约为10us左右。

光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导

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通，输出为低电平“ 0”。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

4.3信号逻辑时序控制电路

TL494发出的脉冲宽度信号需要逻辑运算才能最终实现电机的正反转控制，这一环节就是电路的驱动部分。电流过零检测电路的输出信号以及PWM信号通过信号逻辑时序控制电路进行整合，从而确定MOSFET的开关状态。在本文中采用CD4023来实现信号的逻辑时序控制。

4.3.1过流保护电路及元器件选择

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。所以在选择保护措施时应注意协调[14]。通常电子电路作为第一保护电路，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速熔断器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流整定在过载时动作。

三极管选择9013，9013是一种NPN型小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是NPN型小功率三极管； 9013参数：

集电极电流Ic：Max=500mA

工作温度：-55℃～+150℃ 集电极-基极电压Vc：40V 主要用途：放大电路

采用快速熔断器是电力电子最有效的应用最广的一种电流保护措施。在选择时应考虑：

1）电压等级应根据熔断后快速熔断器实际承受的电压来确定。 2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联合形式确定。

经过考虑，本次设计的快速熔断器选择接在整流后的主电路中。下面介绍保护电路的

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关键部分，下图4-8为过流保护电路，此过流保护电路Uf1接与主电路中，当主电路电流过大时，光电耦合器op1电路导通，经过放大器进行信号放大接入三极管Q1的基极,发射极发出信号SD，而信号SD会进行与非逻辑运算来决定是否发出PWM波从而控制电路中断，起到保护作用，与非门输入口为三个信号源，缺一不可。

图4-8 过流保护电路

4.3.2 CD4023简介

CD4023为3输入正向逻辑与非门。CD4023与非门为系统设计者提供了直接的与非功能，补充了已有COS、MOS门系列，所有输入和输出经过缓冲，改善了输入、输出传输特性，使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维持到最小。它的功能及引脚图如下：

1234567VSSVDD1413。。。12111098

图4-9 CD4023引脚图

逻辑表达式：Y=abc

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CD4023部分性能：

电源电压范围：3V～15V 输入电压范围：0V～VDD 工作温度范围：－55℃～125℃ 电源电压：－0.5V～18V 输入电压：－0.5V~VDD+0.5V 输入电流：±10mA 储存稳定：－65℃～150℃ 4.3.3 CD4009简介

CD4009为六组反相器，在电子电路中，VSS / VDD /VCC这些为电子电路符号。VSS的V还是电压，S是:Series，表示公共连接（一般就是接地）或电源负极。VSS的意思是接地电压（接地点电位视为0）。在“场效应”即CMOS元件中，VDD乃CMOS的漏极引脚，VSS乃是CMOS的源极引脚。引脚图如下：

图4-10 CD4009引脚图

CD4009的工作范围：

电源电压范围VDD：-0.5V~20V 输入电压范围：-0.5V~20V+0.5V 输入电流范围：-10mA~+10Ma 操作温度范围：-55度~+125度

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4.3.4逻辑时序控制电路

TL494的11脚为TL494输出三极管的一个集电极，它发出PWM波形取反后经两路输出，之所以两路是因为需要驱动四个MOS管，而它们两两一致，信号取反后经过一个保护电阻再次取反连接到CD4023的一个与非门：一路取反接通另一路与非门，其中SD接过流保护电路，SD作为保护电路参与判定PWM波是否发出，所以它接在控制PWM波的与非门。

图4-11 逻辑时序电路

4.4 MOSFET驱动设计

4.4.1 PWM信号的驱动

电力MOSFET是电压驱动型器件。它的栅缘极之间有数千皮法的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使电力MOSFET开通的栅缘极间驱动电压一般取10-15V。同样关断时是假一定幅度的负驱动电压有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减少寄生振荡，该电阻阻值随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

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图4-12 PWM波驱动电路

图4-12给出了电力MOSFET的驱动方法，当然它的输入信号是经过逻辑运算后的PWM输入信号。它也包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号时耦合器OP输出负电平，PNP三极管导通输出负驱动电压-15V。当有信号输入时，耦合器输入正电平，NPN导通输出正驱动电压+12V来对相对应的电力MOSFET进行通断的控制。因为主电路为H桥电路，1、4为一组2、3为一组，所以其驱动信号由TL494发出后，引出两组相同的PWM波，分别对1、4管2、3管进行驱动。

三极管参数：

9012 PNP:50V 500mA 600mW 低频管 放大倍数30-90； 9013 NPN:20V 625mA 500mW 低频管 放大倍数40-110。 4.4.2 PWM控制方式

H型电路在控制方式上分为双极式、单极式、受限单极式几种工作方式。

双极式H型电路工作特点是四个功率管的控制极电压分为两组。如图4所示，功率管V1和V4为一组，同时导通和关断，其控制极电压Ub1=Ub4；V2和V3为一组，同时导通和关断，其控制极电压Ub2=Ub3。在一个开关周期内，当0

当r

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在电机电枢电感释放储能的作用下，id沿回路经二极管VD2、VD3续流，在VD2和VD3的压降使功率管V2和V3的C-E极之间承受反压，V2和V3并不能导通3因此在一个周期内正负相间是双极式工作方式的特征。电机的可逆运行由正、负脉冲驱动电压宽度决定[7]。

由于电机两端电压的正负变化，使电流波形存在两种情况，当idl为负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电机始终在第一象限工作；idl为轻载情况，平均负载电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是V2、V3的C-E端失去反压，在电枢反电动势的作用下导通，电枢电流反向，沿回路流通，电动机处于制动状态。

定义p?UdUs为PWM电压的占空比。调速时，p的变化范围为一l≤p≤1。规定UAB大于零时电机转向为正，则当p>0时，控制电压Ub1 、Ub4的正脉冲宽度大于Ub3 、Ub2的负脉冲宽度，电机正转；p为负值时，控制电压Ub1 、Ub4的负脉冲宽度大于Ub3 、Ub2的正脉冲宽度，电机反转；当p=O时，电机停转，但是电枢两端的瞬时电压和瞬时电流都不是零，而是交变的，其平均值为零，不产生平均转矩，使电机带有高频微振，起到“动力润滑”作用。

单极性H桥PWM变换器主电路与双极性一致，用于对静、动态性能要求不高的系统。单极性工作方式中，在一组处于工作状态功率管二者之中总是有一个常通，一个常闭。

电机工作时，H桥的上下臂均由PWM逻辑电平控制。产生连续可调的控制电压。该方案中。上臂MOSFET只有在电机换向时才进行开关切换，而电机的换向频率极低，低端由逻辑电路直接控制。逻辑电路的信号电平切换较快，可以满足不同频率要求。该电路还有一个优点，由于四个管都是由相同的两组相同的PWM波驱动信号控制，所以，实际控制时换向不会出现上下臂瞬间同时导通现象，减小了换向时电流冲击，提高了MOSFET的寿命。

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5 测速电路的设计

在众多的数字式转速传感器中，因霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等优点，所以选用霍尔效应接近式传感器作为自动控制系统中电机的转速传感器。该传感器是开关元件，直接输出为脉冲频率信号，但是由于存在电磁噪声干扰，必须对信号进行处理，从而提高采集准确度和抗干扰能力。处理后的信号转换成标准的方波信号，将该信号传输到单片机上，再经过相应的软件设计，就可以通过LED显示电路显示出电机的转速。

5.1霍尔转速传感器检测装置

霍尔转速传感器。该传感器是利用霍尔效应原理工作的：一个金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流IC时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很适合于数字控制系统。

Vo/VVohVol霍尔元件特性曲线B/T

图5-1 霍尔元件特性曲线

齿轮信号盘。信号盘可用普通的黑色钢板制成，它就是转速测量时所用的转盘，盘上共有24个齿。中心孔用来在电机转轴上定位，从而信号盘与电机的转轴一起转动，传感器固定在支架上，垂直于信号盘。当信号盘随电机转轴旋转时，信号盘的每个齿经过探头正前方时产生感应，探头就输出一个标准的脉冲信号。对该信号盘而言，每24个脉冲对应电机的1个工作循环。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低，可由单片机进行测量并换算为转速。

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5.2转速测量原理

转速的测量方法很多，根据脉冲技术来实现转速测量的方法主要有测频法、测周期法和频率周期法。本设计的测速系统由开关型霍尔传感器以及磁钢构成，由它们来检测电机的转速。工作方式为：将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关霍尔传感器的工作原理可知，此时输出一个低电平信号：而当磁钢离开霍尔传感器时，又将输出一个高电平。这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。

霍尔传感器电机单片机处理信号转换LED显示

图5-2 测速流程

根据以上检测装置的设计，文中选用的是国产的HZL201霍尔齿轮传感器。

表5-1 霍尔传感器技术指标

参数工作电压工作电流输出低电平输出高电平工作距离符号VccIccVolVohd量值5-20 15 0.4>Voc-11-1.25单位VmAVVmm

该霍尔传感器技术指标如上图，它是一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。由传感黑色金属齿轮或齿条的齿数转换成电压脉冲信号来测量物体的速度、转速等参量。该传感器红色端接电源正极，黑色端接地，绿色端为输出端。而它的特点在于传感黑色金属目标、输出幅度与齿轮转速无关，低速性能优异，工作频率高达20 kHz。

转速数字式测量方法

旋转设备转动速度的数字检测基本方法是利用与该设备同轴连接的霍尔转速传感器的输出脉冲频率与转速成正比的原理，根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有：M法(测频率法)、T法(测

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周期法)和M／T法(频率／周期法)。

1)M法。在规定的检测时间内，检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的数量较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。

2)T法。它是测量霍尔传感器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下，时间的测量会产生±1个高频脉冲周期，因此T法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。

3)M／T法。它是同时测量检测时间和在此检测时间内霍尔传感器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当，M／T法在高速和低速时都具有较高的测速精度。

传感器输出脉冲的间隔对M法有很大的影响。采用M法时，平均速度越准确(相对误差小)，其估计的瞬时速度就越不准确，反之瞬时速度越准确，其平均速度的相对误差就越大。M／T法相对于其他两种方法有较高的精度，但它的实时性差。T法实际上是对计时器进行计数，相对于M法对脉冲进行计数，该方法有着较高的精度。另外T法对每个转速脉冲都进行了转速的计算，最大限度地利用了传感器所提供的转速信息，能实时地反映转速的变化过程。综合考虑文中系统采用了测周期法(T法)。

5.3转速信号处理电路

HZL201霍尔齿轮传感器接受齿轮信号盘的转动，转化为近似方波脉冲信号。由于要使用单片机进行转速信号计数，霍尔传感器输出的方波脉冲信号必须转化为标准TTL电平，所以在信号处理流程图中加入了信号处理电路。

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图5-3 转速对应脉冲信号电路

透过这个电路就能将霍尔传感器输出的信号变为标准的TTL电平，之后要做的工作就是将该转速信号显示在LED上，通过一系列的处理，就能实时地反应转速信号的变化。根据转速信号处理流程图，首先设计了信号处理电路，传感器输出的转速信号为方波脉冲信号，它的高电平低于15V高于14V，而低电平接近0。可见该脉冲信号的电压幅值与单片机接口不匹配，因此该电路又选用了一个由三极管(8050)组成的整形电路处理转速信号使其满足单片机的接收要求。当输出为高电平信号时，三极管Q1的基一射级处于正向偏置状态，故集一射极处于正向通路状态，其输出电压约为0；当输出为低电平信号时，三极管Q1的基一射级处于反向偏置状态，故集一射极处于断路状态，其输出电压约为+5V。处理电路如图14所示，经处理后的方波脉冲信号满足单片机的接收要求。

5.4 LED数码管动态扫描电路

LED显示器是由一些发光二极管组成的显示器，由于其成本低廉，配置灵活，并且与单片机接口方便，因此得到了广泛的使用。

表5-2 数码管字型数据

D7D6D5D4D3D2D1D0dpgfedcba

在单片机应用系统中通常使用的是7段LED，这7段LED显示块中有8个发光二极管，故也成为8段数码管。其中7个发光二极管构成7笔字形“8”，一个发光二极管构成小数点。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字形数据正好一个字节。其对应关系如表5-2所示。

LED数码管分为共阴极和共阳极两种，共阴极LED显示器的发光二极管阴极共地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示器的发光二极管阳极并接（在系统中，接驱动电源），当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮[15]。

动态扫描显示是单片机应用系统中最常用的显示方式之一。本设计采用数码管动态扫描显示方式，动态扫描显示是把所有显示器的8个笔画段的各同段名端互相并接在一起，并把它们接到字段输出口上。为了防止各个显示器同时显示相同的数字，各个显示器的公

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共端COM还要受到另一组信号控制，即把它们接到位输出口上。这样，对于一组LED数码管需要由两组信号来控制：一组是字段输出口输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为断码；另一组是位输出口输出控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。在这两组信号的控制下，可以一位一位地轮流点亮各个数码管显示各自的数码，以实现动态扫描显示。在轮流点亮一遍的过程中，每位显示器点亮的时间则是极为短暂的（1～5ms）。由于LED具有余辉特性以及人眼视觉的暂留性，尽管各位数码管实际上是分时断续地显示，但只要适当选取扫描频率，给人眼的视觉印象就会是连续稳定地显示，并不察觉有闪烁现象。动态扫描显示由于各个数码管的字段线是并联使用的，因而大大简化了硬件线路。

LED数码管驱动电路

LED数码管要通过集成电路驱动才能正常显示，本电路采用了三极管8550来驱动LED数码管。8550是电子电路中常用到的小功率PNP型晶体三极管。

LED数码管的正向压降Vf一般为2V左右，每一段工作电流为5-10mA，则七段全亮电流为35-70mA，若用8550直接驱动，每段电流将超过LED的最大额定电流值，容易烧坏数码管。因此使用时，必须在每段分别串入限流电阻，将每段电流限制在5～10mA为宜。原理图实现方法如图5-4：

图5-4 数码管驱动电路

P3口输出端通过1K限流电阻连接到8550的基极上，产生位选通信号，以控制要在哪一位上显示数字，P0口则通过限流电阻连接到LED段选线上，来控制要显示什么样的数字。

综上所述，转速检测装置选用集成霍尔齿轮传感器采集转速信息，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器输出的信号经信号调整后，通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测控，具有线路简单、实时性好、成本低、安装调试方便和节省空间等特点，尤其是在测量空间有限、轴偏心或传感器不便安装的条件下，该测量方法有明显的优势。而对于该装置使用的T法测速方式，它的误差率与时钟脉冲个数成反比，从而能实时地反

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映电机转速的变化过程。最好采用串行口扩展的LED显示接口电路可以在线调整LED发光的亮度，获得视觉与功耗的最佳效果。

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6 总结与展望

直流电机在生活生产中的重要性不言而喻。在能源稀缺的今天，节能是永恒的话题，因此优化电机控制，节约能量也显得尤为重要。

本论文介绍了用TL494生成PWM波，然后经过逻辑运算加入过流保护电路，再经过驱动电路对PWM波放大接入H桥直流电机驱动系统：应用双极式PWM机制配合MOSFET功率管，从而对电机进行精确控制。

CD4023与非门提供了直接的与非功能，补充了已有COS、MOS门系列，所有输入和输出经过缓冲，改善了输入、输出传输特性，使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维持到最小。

本次设计有以下几个特点：

1.双极式PWM直流电机工作机制，可以提高电机对信号变化的响应速度。 2.电路实现双保护，为了简化电路，除熔断丝外，设计中单独引入过流保护 电路，将控制信号进行逻辑运算实现电路的过流保护。

3.MOSFET组成的H桥驱动电路工作频率高，发热量小，满足PWM控制需要和电机驱动功率要求。

4.主电路线路简单，各级线路接线容易，需要的功率器件少，可靠性高。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rsmr.html