TL494开关电源毕业设计（共2篇）
TL494开关电源毕业设计 篇1
为了使感应加热始终工作在功率因数接近或者等于1的准谐振或者谐振状态, 感应加热电源必须具有自动频率跟踪能力, 以提高感应加热的加热效率[1]。本文提出一种基于TL494芯片控制的感应加热电路, 自动频率跟踪采用比例调节和积分调节电路的方法实现其频率自动跟踪, 通过理论分析和试验研究, 结果表明该方法具有电路设计简单、工作可靠性高且频率跟踪快、准确等优点。
1 传统频率自动跟踪技术
传统的感应加热电路中多采用锁相环 (PLL) 电路实现频率的自动调节[2], PLL主要由各种霍尔感应器、比较器、鉴相器、低通滤波器及压控振荡器组成, 其工作过程是通过电流霍尔感应器的电气隔离采集到加热谐振回路中的正弦波电流, 经过过零比较电路得到与输出电流频率一样的方波信号, 通过RC低通滤波器加到压控振荡器上, 通过鉴相器比较谐振电路和控制输出信号之间的相位差来调整输出频率, 而从实现谐振电路和控制电路同频。但是全桥逆变电路需要两路相差180度且有死区间隔的驱动信号, 这使得整个电路设计非常的复杂而且也会造成两路控制信号的不平衡, 从而引起全桥逆变电路中两个桥臂不平衡工作。
2 基于比例调节和积分的自动跟踪技术
2.1 控制原理
本设计的控制电路的核心部件采用TL494及其外围电路组成如图1所示。TL494是一种脉宽调制型开关电源集成控制芯片, 具有可调整的死区时间控制、脉冲控制封锁保护等功能。控制电路的频率由5脚的电容和6脚的电阻决定。4脚可以设置两路脉冲的死区时间。
TL494生成的控制脉冲信号频率f由下式决定[3]:
本设计采用比例调节及积分调节电路与TL494芯片相结合的方法, 以锁相环控制原理为基础, 采用三极管和电阻串联的方式来代替6脚上的电阻RT, 通过调节三极管的基极电压Ub改变三极管集电极上的电流大小, 等效于改变RT的大小, 从而改变频率。
采用PI调节器实现的自动频率跟踪电路原理如图2, 霍尔感应器用来采集信号, 过零比较器是将正弦波变成方波信号, 鉴相器是将两路方波信号的相位差变为电压信号。将其输出电压接到三极管的基极电压Ub, 实现频率的自动调节。
2.2 比例调节及积分调节电路的工作原理及控制效果
PI调节电路输入和输出的基本关系为[4]:
式中:Kp为比例放大倍数
τ为积分调节时间
当uin=ε (t) 时, 输出为
当t=τ时,
PI控制电路的单位阶跃响应是一条直线。当t=0时, 调节电路输出电压较小, 只有比例增益。当t>0时, 输出电压将按积分特性线性增大。当输入和输出出现误差时, 由于输出和输入之间是积分关系, 控制电路的输出电压不会立刻变大, 系统出现大的误差时, 调节电路输出电压不会立即变的很大, 而是随着时间的推移慢慢增加。这样就能保证系统平稳工作。频率的自动跟踪过程分析[5]:在稳定的工作状态时PI控制电路输出一个稳定的电压uo, 形成稳定的Ub, 从而形成稳定的振荡电阻, 加热回路能够工作在谐振状态。当加热过程中谐振回路的参数发生变化时, 加热回路将偏离谐振状态, 加热回路电压ua与加热回路电流ia之间将产生一个相位差, 其中加热回路电压ua是由主控制电路输出频率确定的, 加热回路电流ia是由谐振电路实际工作确定的。当ua超前ia时, 即控制器输出的控制频率大于谐振回路的谐振频率, ua和ia的相位差进入PI控制电路的反相端, 根据PI控制电路的工作原理可知PI控制电路的输出电压降低, 从而引起Ub的减小, 即增大RT, 从而降低主控制电路的工作频率, 使其向谐振频率靠近;当ua滞后ia时, 即控制器输出的控制频率小于谐振回路的谐振频率, ua和ia的相位差反相后进入PI控制电路的反相端, 根据PI控制电路的工作原理可知PI控制电路的输出电压升高, 从而引起Ub的增大, 即等效RT减小, 从而提高主控制电路的工作频率, 使其向谐振频率靠近;
3 结论
PI控制电路具有结构简单、稳定性好、工作可靠等特点, 利用其与TL494芯片相结合的方法控制感应加热电源的自动跟踪是可行的。该方法具有跟随速度快、频率跟踪准确、电路设计简单、工作可靠等优点。实验结果表明, 结合PI控制电路与TL494相结合的方法实现自动频率跟踪技术, 能在感应加热过程中实现自动跟踪回路谐振频率, 最终达到提高工作效率和质量的目的。
摘要：为了提高感应加热的工作效率, 必须具有自动频率跟踪功能, 结合TL494的特点, 本文提出采用比例调节及积分调节电路和TL494相结合的方法实现感应加热电源频率自动跟踪, 给出工作原理和实验结果。
关键词：TL494,PI调节,频率跟踪
参考文献
[1]潘天明.现代感应加热装置[M].北京:冶金工业出版社, 1996.
[2]毛鸿, 等.感应加热电源无相差频率跟踪控制电路[J].电力电子技术, 1998 (2) :69～72.
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[4]严楣辉.集成运算放大器分析与应用[M].四川:电子科技大学出版社, 1992.
TL494开关电源毕业设计 篇2
作者简介：刘 杰（1988—），男，湖北公安人，助理实验师,学士，研究方向：汽车电子技术。
文章编号：1003-6199(2014)02-0081-04
摘 要：他励直流电动机驱动系统结构简单、性能可靠、成本低，适合在小型电动车上运行，有效的降低了电动汽车的价格，有利于电动汽车的普及。本文在分析电动车用他励直流电机工作原理的基础上，论述电机驱动系统的整体方案，并设计3KW/36V他励有刷直流电机控制器。该控制器主要通过TL494控制，包括36V铅酸蓄电池欠压保护，控制器的过热保护等功能。经实验证实该控制器达到设计指标，工作稳定可靠，满足电动车的各种运行情况，保护功能完善并具有能量回馈等功能。
关键词：直流电机；电动车；控制器；TL494
中图分类号：TM921.5文献标识码：A
A Electric Vehicle Motor Controller Based on TL494
LIU Jie, MEI Jianwei
(Hubei University of Automobile Technology School of Electrical & Information Engineering , Shiyan,Hubei 442002,China)
Abstract:The separately excited DC motor drive system is suitable for operating on the small electric vehicle. As it has simple structure, reliable performance and low cost, which is actually reducing the price of electrombile, is conducive to the popularity of electric cars. This paper discusses the motor drive system of the overall program, which is based on the theory of electric vehicles excited DC motor working, and is designed the 3KW/36V excited brushed DC motor controller. The controller is managed by TL494, it possesses the 36V of leadacid batteries undervoltage protection, and controller overheating protection, etc. The experiments confirm that the system can achieve design specification, working stable and reliable, satisfy a variety of the electric vehicles operating conditions, it will protect motors function and have energy feedback, other functions and so on.
Key words:direct current motor；controller；electric vehicle；TL494
1 引 言
面对内燃机车的废气污染和能源枯竭，电动汽车现在逐步走进了人们的生活。世界各大汽车生产厂家，都在大力研发电动汽车控制技术，并在最近的车展上纷纷推出了电动汽车。电机控制器是电动车控制系统中最关键的部分，它的发展对电动汽车的普及及推广有着深远的影响。现在主流的电动车控制器主要由电力电子器件构成，其中电机控制器直接充当了心脏的角色［1-2］。
2 电动车电机控制器的原理
本文中电动汽车采用他励直流有刷电机，动力电池采用6节铅酸蓄电池串联，每块电池额定电压6V，总额定输出电压为36V。他励直流电动机的额定电压为36V，额定功率为3kW，输出额定转矩为10.84Nm，额定转速为2600r/min，励磁电流为10A，最大负载电流为110A。
本控制器的设计方案中，电枢控制部分采用两象限型直流斩波PWM系统，励磁控制部分采用双极式可逆直流斩波PWM系统［3］。控制器选用TL494芯片，其具有结构简单、功能可靠、价格低廉、稳定性好等优点。TL494内置有5V±5%的基准电源、两路误差放大器、PWM产生比较器以及死区时间可调控制等［4］。
2.1 两象限型直流斩波PWM系统
两象限型直流斩波器原理图如图1所示，采用半桥结构，电机中流过的电流Ia可正可负，开关管S2只在制动时起作用，系统能工作在2个象限。
计算技术与自动化2014年6月
第33卷第2期刘 杰等：一种基于TL494芯片的电动车电机控制器
该控制方案虽然只能使电机工作在第一、第二象限，但是具有能量回馈制动功能，而且控制方便，使用的电子元器件较少，有利于减小控制器的体积，且系统的可靠性较高，方案的成本低［5-6］。
图1 两象限型直流斩波器电路原理图
2.2 双极式可逆直流斩波PWM系统
双极式可逆直流斩波器原理图如图2所示。这种直流斩波器可以使电动机在四象限运行，即电枢电压Va和电流Ia既可以为正，也可以为负。
图2 四象限型直流斩波器驱动原理图
该控制方案能够使电机在四个象限运行，电路和控制不复杂，电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速时，每个功率开关管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率开关管的可靠导通。他励直流电机的励磁回路中通过电流不大，励磁回路不用经常切换，只需让其工作在一、三象限［7-8］。
2.3 他励直流有刷电机控制器的总体方案
控制器最终方案中电枢回路采用两象限型直流斩波器，励磁回路采用四象限的直流斩波器。由于电动车必须要能够在多种路面和多种天气（高温、低温）下使用，控制器必须具有一定的抗震性、防水性，抗电磁干扰能力等。为了适应本控制器的恶劣使用环境，本控制系统中采用了纯硬件设计。 他励直流有刷电机控制器总体方案框图如图3所示［9］。
图3 电机控制器总体方案原理框图
为了提高控制器的稳定性，添加了部分保护功能，如：过热保护、励磁检测保护、过流保护、电池欠压保护、防反接保护等。本设计方案采用了两片TL494作为整个系统的核心控制器，一片TL494专门用来控制励磁部分。
控制器励磁部分的TL494构成的小系统，在电动车上电后开始工作，使电动车在运行期间励磁信号不缺失，有效保护电机。在采集前进和后退选择按钮信号后，选择励磁回路中励磁电流的流向，控制电动车的运行方向。控制器电枢控制部分采用另一片TL494控制，该系统采集油门踏板信号，来改变TL494输出PWM波的占空比进行调速。通过检测励磁回路中电流信号，确认励磁电流正常后启动电枢回路。通过检测电枢回路电路信号，发现电机堵转时及时关闭TL494脉冲输出，防止电流过大烧坏功率器件和电机［10］。
3 硬件设计
3.1 TL494外围电路设计
PWM调节由TL494CN芯片实现，其电路原理图如图4所示，主要功率器件采用多个MOSFET并联和多个二极管并联的方式。为实现直流有刷电动机的平滑调速，将TL494的13号引脚接地，使TL494工作在单端输出方式，实现PWM占空比从0到96%连续可调。
图4 TL494外围电路图
为了增大TL494的输出驱动电流，提高驱动能力，并保护TL494的输出端（9号和10号引脚），通过两个高速二极管并联输出的方式，输出最大500mA的电流，很大程度的提高了输出的驱动能力。并在输出端单独采用达林顿管推挽输出，来驱动电枢回路中多个并联的MOSFET［4］，多个MOSFET并联时需要注意均流和散热。
3.2 过热保护
过热保护电路的核心元件主要是65°C常开温控开关R40和高速运放LM358，通过改变运放反向输入端电压，使运放输出高低电平，来控制TL494的死区。过热保护电路图如图5所示。
图5 过热保护电路
R40的一端接地，另一端介入R5和R6之间，整个电路构成一个差分式的运算放大电路。当温度超过65°C，温控开关闭合时，运放LM358输出为高电平（大于3.3V），TL494的死区电压大于3.3V时，输出的PWM波的占空比降为0，输出为低电平，使开关管不导通，切断电机的供电。
而当控制器正常工作时，散热器的温度不会超过65°C，温控开关会一直处于断开状态，此时的TL494死区端电压为120mV的偏置电压，输出的PWM占空比受到TL494运放的输出电压控制。
3.3 电池欠压保护
电动车的供电由铅酸蓄电池提供给，电池容量有限，电量不足时要及时充电，为了防止电动车电池的过渡放电，保护电池，提高电池的使用寿命，应该设置电池的欠压保护，电池欠压保护电路图如图6所示。
当电机堵转时，蓄电池输出电流迅速增大，此时电池不能够提供这么大的功率，会导致电池电压的急剧下降。根据电池的特性，36V的铅酸蓄电池，电池在正常工作时，输出电压不会低于30V。设置电池的最低保护电压为30V，这样可以保护电池并防止电机堵转。 电池的欠压保护采用LM393电压比较器来实现，将36V的蓄电池电压经过分压后与参考电压比较，当电池的电压低于30V时，LM393的反向输入端电压低于同相输入端电压，输出为高电平，使TL494的死区电压达到最大值，关断TL494的脉冲输出，使电机停止运转。
图6 电池欠压保护电路
4 总 结
通过长期的实验运行和装车试验，证实本文设计的电动车电机驱动系统，能量损耗小、使用范围广、满足电动车的实际需要。通过对电动机励磁和电枢的调节可以实现他励直流有刷电动机的运行调速、正反转和能量回馈。并在设计中预留了多路信号通信接口，将各关键状态信号输入车载ECU中，方便整车的协调和升级。
参考文献
［1］ 陈清泉. 论电动车驱动的关键技术［J］. 江苏机械制造与自动化，1998，（2）：2-6.
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3 硬件设计
3.1 TL494外围电路设计
PWM调节由TL494CN芯片实现，其电路原理图如图4所示，主要功率器件采用多个MOSFET并联和多个二极管并联的方式。为实现直流有刷电动机的平滑调速，将TL494的13号引脚接地，使TL494工作在单端输出方式，实现PWM占空比从0到96%连续可调。
图4 TL494外围电路图
为了增大TL494的输出驱动电流，提高驱动能力，并保护TL494的输出端（9号和10号引脚），通过两个高速二极管并联输出的方式，输出最大500mA的电流，很大程度的提高了输出的驱动能力。并在输出端单独采用达林顿管推挽输出，来驱动电枢回路中多个并联的MOSFET［4］，多个MOSFET并联时需要注意均流和散热。
3.2 过热保护
过热保护电路的核心元件主要是65°C常开温控开关R40和高速运放LM358，通过改变运放反向输入端电压，使运放输出高低电平，来控制TL494的死区。过热保护电路图如图5所示。
图5 过热保护电路
R40的一端接地，另一端介入R5和R6之间，整个电路构成一个差分式的运算放大电路。当温度超过65°C，温控开关闭合时，运放LM358输出为高电平（大于3.3V），TL494的死区电压大于3.3V时，输出的PWM波的占空比降为0，输出为低电平，使开关管不导通，切断电机的供电。
而当控制器正常工作时，散热器的温度不会超过65°C，温控开关会一直处于断开状态，此时的TL494死区端电压为120mV的偏置电压，输出的PWM占空比受到TL494运放的输出电压控制。
3.3 电池欠压保护
电动车的供电由铅酸蓄电池提供给，电池容量有限，电量不足时要及时充电，为了防止电动车电池的过渡放电，保护电池，提高电池的使用寿命，应该设置电池的欠压保护，电池欠压保护电路图如图6所示。
当电机堵转时，蓄电池输出电流迅速增大，此时电池不能够提供这么大的功率，会导致电池电压的急剧下降。根据电池的特性，36V的铅酸蓄电池，电池在正常工作时，输出电压不会低于30V。设置电池的最低保护电压为30V，这样可以保护电池并防止电机堵转。 电池的欠压保护采用LM393电压比较器来实现，将36V的蓄电池电压经过分压后与参考电压比较，当电池的电压低于30V时，LM393的反向输入端电压低于同相输入端电压，输出为高电平，使TL494的死区电压达到最大值，关断TL494的脉冲输出，使电机停止运转。
图6 电池欠压保护电路
4 总 结
通过长期的实验运行和装车试验，证实本文设计的电动车电机驱动系统，能量损耗小、使用范围广、满足电动车的实际需要。通过对电动机励磁和电枢的调节可以实现他励直流有刷电动机的运行调速、正反转和能量回馈。并在设计中预留了多路信号通信接口，将各关键状态信号输入车载ECU中，方便整车的协调和升级。
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3.1 TL494外围电路设计
PWM调节由TL494CN芯片实现，其电路原理图如图4所示，主要功率器件采用多个MOSFET并联和多个二极管并联的方式。为实现直流有刷电动机的平滑调速，将TL494的13号引脚接地，使TL494工作在单端输出方式，实现PWM占空比从0到96%连续可调。
图4 TL494外围电路图
为了增大TL494的输出驱动电流，提高驱动能力，并保护TL494的输出端（9号和10号引脚），通过两个高速二极管并联输出的方式，输出最大500mA的电流，很大程度的提高了输出的驱动能力。并在输出端单独采用达林顿管推挽输出，来驱动电枢回路中多个并联的MOSFET［4］，多个MOSFET并联时需要注意均流和散热。
3.2 过热保护
过热保护电路的核心元件主要是65°C常开温控开关R40和高速运放LM358，通过改变运放反向输入端电压，使运放输出高低电平，来控制TL494的死区。过热保护电路图如图5所示。
图5 过热保护电路
R40的一端接地，另一端介入R5和R6之间，整个电路构成一个差分式的运算放大电路。当温度超过65°C，温控开关闭合时，运放LM358输出为高电平（大于3.3V），TL494的死区电压大于3.3V时，输出的PWM波的占空比降为0，输出为低电平，使开关管不导通，切断电机的供电。
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当电机堵转时，蓄电池输出电流迅速增大，此时电池不能够提供这么大的功率，会导致电池电压的急剧下降。根据电池的特性，36V的铅酸蓄电池，电池在正常工作时，输出电压不会低于30V。设置电池的最低保护电压为30V，这样可以保护电池并防止电机堵转。 电池的欠压保护采用LM393电压比较器来实现，将36V的蓄电池电压经过分压后与参考电压比较，当电池的电压低于30V时，LM393的反向输入端电压低于同相输入端电压，输出为高电平，使TL494的死区电压达到最大值，关断TL494的脉冲输出，使电机停止运转。
图6 电池欠压保护电路
4 总 结
通过长期的实验运行和装车试验，证实本文设计的电动车电机驱动系统，能量损耗小、使用范围广、满足电动车的实际需要。通过对电动机励磁和电枢的调节可以实现他励直流有刷电动机的运行调速、正反转和能量回馈。并在设计中预留了多路信号通信接口，将各关键状态信号输入车载ECU中，方便整车的协调和升级。
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