劉杰+梅建偉

收稿日期：2013-06-20

作者簡介：劉 杰（1988—），男，湖北公安人，助理實驗師,學士，研究方向：汽車電子技術。

文章編號：1003-6199(2014)02-0081-04

摘 要：他勵直流電動機驅動系統(tǒng)結構簡單、性能可靠、成本低，適合在小型電動車上運行，有效的降低了電動汽車的價格，有利于電動汽車的普及。本文在分析電動車用他勵直流電機工作原理的基礎上，論述電機驅動系統(tǒng)的整體方案，并設計3KW/36V他勵有刷直流電機控制器。該控制器主要通過TL494控制，包括36V鉛酸蓄電池欠壓保護，控制器的過熱保護等功能。經實驗證實該控制器達到設計指標，工作穩(wěn)定可靠，滿足電動車的各種運行情況，保護功能完善并具有能量回饋等功能。

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關鍵詞：直流電機；電動車；控制器；TL494 

中圖分類號：TM921.5文獻標識碼：A

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A Electric Vehicle Motor Controller Based on TL494

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LIU Jie, MEI Jianwei

(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 leadacid 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.

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Key words:direct current motor；controller；electric vehicle；TL494

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1 引 言

面對內燃機車的廢氣污染和能源枯竭，電動汽車現在逐步走進了人們的生活。世界各大汽車生產廠家，都在大力研發(fā)電動汽車控制技術，并在最近的車展上紛紛推出了電動汽車。電機控制器是電動車控制系統(tǒng)中最關鍵的部分，它的發(fā)展對電動汽車的普及及推廣有著深遠的影響?，F在主流的電動車控制器主要由電力電子器件構成，其中電機控制器直接充當了心臟的角色［1-2］。

2 電動車電機控制器的原理

本文中電動汽車采用他勵直流有刷電機，動力電池采用6節(jié)鉛酸蓄電池串聯，每塊電池額定電壓6V，總額定輸出電壓為36V。他勵直流電動機的額定電壓為36V，額定功率為3kW，輸出額定轉矩為10.84Nm，額定轉速為2600r/min，勵磁電流為10A，最大負載電流為110A。

本控制器的設計方案中，電樞控制部分采用兩象限型直流斬波PWM系統(tǒng)，勵磁控制部分采用雙極式可逆直流斬波PWM系統(tǒng)［3］?？刂破鬟x用TL494芯片，其具有結構簡單、功能可靠、價格低廉、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。TL494內置有5V±5%的基準電源、兩路誤差放大器、PWM產生比較器以及死區(qū)時間可調控制等［4］。

2.1 兩象限型直流斬波PWM系統(tǒng)

兩象限型直流斬波器原理圖如圖1所示，采用半橋結構，電機中流過的電流Ia可正可負，開關管S2只在制動時起作用，系統(tǒng)能工作在2個象限。

計算技術與自動化2014年6月

第33卷第2期劉 杰等：一種基于TL494芯片的電動車電機控制器

該控制方案雖然只能使電機工作在第一、第二象限，但是具有能量回饋制動功能，而且控制方便，使用的電子元器件較少，有利于減小控制器的體積，且系統(tǒng)的可靠性較高，方案的成本低［5-6］。

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圖1 兩象限型直流斬波器電路原理圖 

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2.2 雙極式可逆直流斬波PWM系統(tǒng)

雙極式可逆直流斬波器原理圖如圖2所示。這種直流斬波器可以使電動機在四象限運行，即電樞電壓Va和電流Ia既可以為正，也可以為負。

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圖2 四象限型直流斬波器驅動原理圖

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該控制方案能夠使電機在四個象限運行，電路和控制不復雜，電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速時，每個功率開關管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證功率開關管的可靠導通。他勵直流電機的勵磁回路中通過電流不大，勵磁回路不用經常切換，只需讓其工作在一、三象限［7-8］。

2.3 他勵直流有刷電機控制器的總體方案

控制器最終方案中電樞回路采用兩象限型直流斬波器，勵磁回路采用四象限的直流斬波器。由于電動車必須要能夠在多種路面和多種天氣（高溫、低溫）下使用，控制器必須具有一定的抗震性、防水性，抗電磁干擾能力等。為了適應本控制器的惡劣使用環(huán)境，本控制系統(tǒng)中采用了純硬件設計。 他勵直流有刷電機控制器總體方案框圖如圖3所示［9］。

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圖3 電機控制器總體方案原理框圖

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為了提高控制器的穩(wěn)定性，添加了部分保護功能，如：過熱保護、勵磁檢測保護、過流保護、電池欠壓保護、防反接保護等。本設計方案采用了兩片TL494作為整個系統(tǒng)的核心控制器，一片TL494專門用來控制勵磁部分。

控制器勵磁部分的TL494構成的小系統(tǒng)，在電動車上電后開始工作，使電動車在運行期間勵磁信號不缺失，有效保護電機。在采集前進和后退選擇按鈕信號后，選擇勵磁回路中勵磁電流的流向，控制電動車的運行方向。控制器電樞控制部分采用另一片TL494控制，該系統(tǒng)采集油門踏板信號，來改變TL494輸出PWM波的占空比進行調速。通過檢測勵磁回路中電流信號，確認勵磁電流正常后啟動電樞回路。通過檢測電樞回路電路信號，發(fā)現電機堵轉時及時關閉TL494脈沖輸出，防止電流過大燒壞功率器件和電機［10］。

3 硬件設計

3.1 TL494外圍電路設計

PWM調節(jié)由TL494CN芯片實現，其電路原理圖如圖4所示，主要功率器件采用多個MOSFET并聯和多個二極管并聯的方式。為實現直流有刷電動機的平滑調速，將TL494的13號引腳接地，使TL494工作在單端輸出方式，實現PWM占空比從0到96%連續(xù)可調。

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圖4 TL494外圍電路圖

為了增大TL494的輸出驅動電流，提高驅動能力，并保護TL494的輸出端（9號和10號引腳），通過兩個高速二極管并聯輸出的方式，輸出最大500mA的電流，很大程度的提高了輸出的驅動能力。并在輸出端單獨采用達林頓管推挽輸出，來驅動電樞回路中多個并聯的MOSFET［4］，多個MOSFET并聯時需要注意均流和散熱。

3.2 過熱保護

過熱保護電路的核心元件主要是65°C常開溫控開關R40和高速運放LM358，通過改變運放反向輸入端電壓，使運放輸出高低電平，來控制TL494的死區(qū)。過熱保護電路圖如圖5所示。

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圖5 過熱保護電路

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R40的一端接地，另一端介入R5和R6之間，整個電路構成一個差分式的運算放大電路。當溫度超過65°C，溫控開關閉合時，運放LM358輸出為高電平（大于3.3V），TL494的死區(qū)電壓大于3.3V時，輸出的PWM波的占空比降為0，輸出為低電平，使開關管不導通，切斷電機的供電。

而當控制器正常工作時，散熱器的溫度不會超過65°C，溫控開關會一直處于斷開狀態(tài)，此時的TL494死區(qū)端電壓為120mV的偏置電壓，輸出的PWM占空比受到TL494運放的輸出電壓控制。

3.3 電池欠壓保護

電動車的供電由鉛酸蓄電池提供給，電池容量有限，電量不足時要及時充電，為了防止電動車電池的過渡放電，保護電池，提高電池的使用壽命，應該設置電池的欠壓保護，電池欠壓保護電路圖如圖6所示。

當電機堵轉時，蓄電池輸出電流迅速增大，此時電池不能夠提供這么大的功率，會導致電池電壓的急劇下降。根據電池的特性，36V的鉛酸蓄電池，電池在正常工作時，輸出電壓不會低于30V。設置電池的最低保護電壓為30V，這樣可以保護電池并防止電機堵轉。 電池的欠壓保護采用LM393電壓比較器來實現，將36V的蓄電池電壓經過分壓后與參考電壓比較，當電池的電壓低于30V時，LM393的反向輸入端電壓低于同相輸入端電壓，輸出為高電平，使TL494的死區(qū)電壓達到最大值，關斷TL494的脈沖輸出，使電機停止運轉。

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圖6 電池欠壓保護電路

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4 總 結

通過長期的實驗運行和裝車試驗，證實本文設計的電動車電機驅動系統(tǒng)，能量損耗小、使用范圍廣、滿足電動車的實際需要。通過對電動機勵磁和電樞的調節(jié)可以實現他勵直流有刷電動機的運行調速、正反轉和能量回饋。并在設計中預留了多路信號通信接口，將各關鍵狀態(tài)信號輸入車載ECU中，方便整車的協調和升級。

參考文獻

［1］ 陳清泉. 論電動車驅動的關鍵技術［J］. 江蘇機械制造與自動化，1998，（2）：2-6.

［2］ 胡林,谷正氣,黃晶,等. 電動汽車的關鍵技術分析［J］. 機械制造，2005，（10）：45-46.

［3］ 高春艷.電動高爾夫球車他勵直流電機驅動系統(tǒng)研究［D］. 重慶: 重慶大學，2007.

［4］ 謝春林. 電壓驅動型脈寬調制器TL494［J］. 國外電子元器件, 2001，(2)：66-67.

［5］ 辜承林，陳喬夫，熊永乾. 電機學［M］. 武漢: 華中科技大學出版社，2005.

［6］ 徐萍萍,宋建國,沈光地. 電動汽車電機驅動系統(tǒng)特性研究［J］. 微電機，2007，(40):43-45.

［7］ 陳正華. 直流牽引斬波器及其控制系統(tǒng)的開發(fā)［D］. 大連: 大連交通大學，2005.

［8］ 王春芳，黃蔚，羅培文，等. 直流電動機的調速研究［J］. 科技廣場，2012,（9）：112-114.

［9］ 張智先，姚永剛. 電機與控制技術［M］. 北京: 中國鐵道出版社，2010.

［10］陳賢明，呂宏水，王偉，等. 直流電動機脈寬調速的單周期控制［J］. 電氣傳動自動化，2009，31（4）：12-17.

3 硬件設計

3.1 TL494外圍電路設計

PWM調節(jié)由TL494CN芯片實現，其電路原理圖如圖4所示，主要功率器件采用多個MOSFET并聯和多個二極管并聯的方式。為實現直流有刷電動機的平滑調速，將TL494的13號引腳接地，使TL494工作在單端輸出方式，實現PWM占空比從0到96%連續(xù)可調。

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圖4 TL494外圍電路圖

為了增大TL494的輸出驅動電流，提高驅動能力，并保護TL494的輸出端（9號和10號引腳），通過兩個高速二極管并聯輸出的方式，輸出最大500mA的電流，很大程度的提高了輸出的驅動能力。并在輸出端單獨采用達林頓管推挽輸出，來驅動電樞回路中多個并聯的MOSFET［4］，多個MOSFET并聯時需要注意均流和散熱。

3.2 過熱保護

過熱保護電路的核心元件主要是65°C常開溫控開關R40和高速運放LM358，通過改變運放反向輸入端電壓，使運放輸出高低電平，來控制TL494的死區(qū)。過熱保護電路圖如圖5所示。

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圖5 過熱保護電路

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R40的一端接地，另一端介入R5和R6之間，整個電路構成一個差分式的運算放大電路。當溫度超過65°C，溫控開關閉合時，運放LM358輸出為高電平（大于3.3V），TL494的死區(qū)電壓大于3.3V時，輸出的PWM波的占空比降為0，輸出為低電平，使開關管不導通，切斷電機的供電。

而當控制器正常工作時，散熱器的溫度不會超過65°C，溫控開關會一直處于斷開狀態(tài)，此時的TL494死區(qū)端電壓為120mV的偏置電壓，輸出的PWM占空比受到TL494運放的輸出電壓控制。

3.3 電池欠壓保護

電動車的供電由鉛酸蓄電池提供給，電池容量有限，電量不足時要及時充電，為了防止電動車電池的過渡放電，保護電池，提高電池的使用壽命，應該設置電池的欠壓保護，電池欠壓保護電路圖如圖6所示。

當電機堵轉時，蓄電池輸出電流迅速增大，此時電池不能夠提供這么大的功率，會導致電池電壓的急劇下降。根據電池的特性，36V的鉛酸蓄電池，電池在正常工作時，輸出電壓不會低于30V。設置電池的最低保護電壓為30V，這樣可以保護電池并防止電機堵轉。 電池的欠壓保護采用LM393電壓比較器來實現，將36V的蓄電池電壓經過分壓后與參考電壓比較，當電池的電壓低于30V時，LM393的反向輸入端電壓低于同相輸入端電壓，輸出為高電平，使TL494的死區(qū)電壓達到最大值，關斷TL494的脈沖輸出，使電機停止運轉。

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圖6 電池欠壓保護電路

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4 總 結

通過長期的實驗運行和裝車試驗，證實本文設計的電動車電機驅動系統(tǒng)，能量損耗小、使用范圍廣、滿足電動車的實際需要。通過對電動機勵磁和電樞的調節(jié)可以實現他勵直流有刷電動機的運行調速、正反轉和能量回饋。并在設計中預留了多路信號通信接口，將各關鍵狀態(tài)信號輸入車載ECU中，方便整車的協調和升級。

參考文獻

［1］ 陳清泉. 論電動車驅動的關鍵技術［J］. 江蘇機械制造與自動化，1998，（2）：2-6.

［2］ 胡林,谷正氣,黃晶,等. 電動汽車的關鍵技術分析［J］. 機械制造，2005，（10）：45-46.

［3］ 高春艷.電動高爾夫球車他勵直流電機驅動系統(tǒng)研究［D］. 重慶: 重慶大學，2007.

［4］ 謝春林. 電壓驅動型脈寬調制器TL494［J］. 國外電子元器件, 2001，(2)：66-67.

［5］ 辜承林，陳喬夫，熊永乾. 電機學［M］. 武漢: 華中科技大學出版社，2005.

［6］ 徐萍萍,宋建國,沈光地. 電動汽車電機驅動系統(tǒng)特性研究［J］. 微電機，2007，(40):43-45.

［7］ 陳正華. 直流牽引斬波器及其控制系統(tǒng)的開發(fā)［D］. 大連: 大連交通大學，2005.

［8］ 王春芳，黃蔚，羅培文，等. 直流電動機的調速研究［J］. 科技廣場，2012,（9）：112-114.

［9］ 張智先，姚永剛. 電機與控制技術［M］. 北京: 中國鐵道出版社，2010.

［10］陳賢明，呂宏水，王偉，等. 直流電動機脈寬調速的單周期控制［J］. 電氣傳動自動化，2009，31（4）：12-17.

3 硬件設計

3.1 TL494外圍電路設計

PWM調節(jié)由TL494CN芯片實現，其電路原理圖如圖4所示，主要功率器件采用多個MOSFET并聯和多個二極管并聯的方式。為實現直流有刷電動機的平滑調速，將TL494的13號引腳接地，使TL494工作在單端輸出方式，實現PWM占空比從0到96%連續(xù)可調。

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圖4 TL494外圍電路圖

為了增大TL494的輸出驅動電流，提高驅動能力，并保護TL494的輸出端（9號和10號引腳），通過兩個高速二極管并聯輸出的方式，輸出最大500mA的電流，很大程度的提高了輸出的驅動能力。并在輸出端單獨采用達林頓管推挽輸出，來驅動電樞回路中多個并聯的MOSFET［4］，多個MOSFET并聯時需要注意均流和散熱。

3.2 過熱保護

過熱保護電路的核心元件主要是65°C常開溫控開關R40和高速運放LM358，通過改變運放反向輸入端電壓，使運放輸出高低電平，來控制TL494的死區(qū)。過熱保護電路圖如圖5所示。

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圖5 過熱保護電路

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R40的一端接地，另一端介入R5和R6之間，整個電路構成一個差分式的運算放大電路。當溫度超過65°C，溫控開關閉合時，運放LM358輸出為高電平（大于3.3V），TL494的死區(qū)電壓大于3.3V時，輸出的PWM波的占空比降為0，輸出為低電平，使開關管不導通，切斷電機的供電。

而當控制器正常工作時，散熱器的溫度不會超過65°C，溫控開關會一直處于斷開狀態(tài)，此時的TL494死區(qū)端電壓為120mV的偏置電壓，輸出的PWM占空比受到TL494運放的輸出電壓控制。

3.3 電池欠壓保護

電動車的供電由鉛酸蓄電池提供給，電池容量有限，電量不足時要及時充電，為了防止電動車電池的過渡放電，保護電池，提高電池的使用壽命，應該設置電池的欠壓保護，電池欠壓保護電路圖如圖6所示。

當電機堵轉時，蓄電池輸出電流迅速增大，此時電池不能夠提供這么大的功率，會導致電池電壓的急劇下降。根據電池的特性，36V的鉛酸蓄電池，電池在正常工作時，輸出電壓不會低于30V。設置電池的最低保護電壓為30V，這樣可以保護電池并防止電機堵轉。 電池的欠壓保護采用LM393電壓比較器來實現，將36V的蓄電池電壓經過分壓后與參考電壓比較，當電池的電壓低于30V時，LM393的反向輸入端電壓低于同相輸入端電壓，輸出為高電平，使TL494的死區(qū)電壓達到最大值，關斷TL494的脈沖輸出，使電機停止運轉。

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圖6 電池欠壓保護電路

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4 總 結

通過長期的實驗運行和裝車試驗，證實本文設計的電動車電機驅動系統(tǒng)，能量損耗小、使用范圍廣、滿足電動車的實際需要。通過對電動機勵磁和電樞的調節(jié)可以實現他勵直流有刷電動機的運行調速、正反轉和能量回饋。并在設計中預留了多路信號通信接口，將各關鍵狀態(tài)信號輸入車載ECU中，方便整車的協調和升級。

參考文獻

［1］ 陳清泉. 論電動車驅動的關鍵技術［J］. 江蘇機械制造與自動化，1998，（2）：2-6.

［2］ 胡林,谷正氣,黃晶,等. 電動汽車的關鍵技術分析［J］. 機械制造，2005，（10）：45-46.

［3］ 高春艷.電動高爾夫球車他勵直流電機驅動系統(tǒng)研究［D］. 重慶: 重慶大學，2007.

［4］ 謝春林. 電壓驅動型脈寬調制器TL494［J］. 國外電子元器件, 2001，(2)：66-67.

［5］ 辜承林，陳喬夫，熊永乾. 電機學［M］. 武漢: 華中科技大學出版社，2005.

［6］ 徐萍萍,宋建國,沈光地. 電動汽車電機驅動系統(tǒng)特性研究［J］. 微電機，2007，(40):43-45.

［7］ 陳正華. 直流牽引斬波器及其控制系統(tǒng)的開發(fā)［D］. 大連: 大連交通大學，2005.

［8］ 王春芳，黃蔚，羅培文，等. 直流電動機的調速研究［J］. 科技廣場，2012,（9）：112-114.

［9］ 張智先，姚永剛. 電機與控制技術［M］. 北京: 中國鐵道出版社，2010.

［10］陳賢明，呂宏水，王偉，等. 直流電動機脈寬調速的單周期控制［J］. 電氣傳動自動化，2009，31（4）：12-17.