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使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制

發(fā)布時間:2023-04-14 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在幾乎所有機電應(yīng)用中,電機控制都是電子設(shè)計的一個基本方面。機器人和電動汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對電機進行電路和固件控制,以可靠地影響給定設(shè)備的運動。


在幾乎所有機電應(yīng)用中,電機控制都是電子設(shè)計的一個基本方面。機器人和電動汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對電機進行電路和固件控制,以可靠地影響給定設(shè)備的運動。

每種類型的電機都有自己的控制要求,需要獨特的電路和正確操作的理解。在本文中,我們將了解直流電機控制、H 橋電路和互補PWM等控制技術(shù)。

H 橋工作原理——什么是 H 橋電路?

在驅(qū)動和控制直流電機時,基本和應(yīng)用廣泛的電路是 H 橋。可以在TI 的數(shù)據(jù)表中看到一個示例。

如圖 1 所示,H 橋由四個開關(guān)組成,通常使用圍繞直流電機的“H”形拓撲結(jié)構(gòu)中的 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 來實現(xiàn)。


使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制

圖 1.用于直流電機控制的標準 H 橋電路


H 橋可以作為直流電機控制的有用電路,因為它通過有選擇地打開和關(guān)閉一系列這些開關(guān)來控制電機的方向和速度。

如圖 2 所示,通過在 SW2 和 SW3 關(guān)閉的同時打開 SW1 和 SW4,我們可以控制電流以特定方向流過電機,從而使其朝一個方向轉(zhuǎn)動。


使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制

圖 2. 有選擇地打開和關(guān)閉這些開關(guān)將控制電機的速度和方向


要以相反的方向轉(zhuǎn)動電機,我們執(zhí)行相反的操作,讓 SW1 和 SW4 保持關(guān)閉狀態(tài),同時打開 SW2 和 SW3。

非重疊或互補 PWM

實際上,H 橋中的開關(guān)實際上是使用 MOSFET 實現(xiàn)的,如圖 3 所示


使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制
圖 3. 使用 MOSFET 的 H 橋?qū)崿F(xiàn)


盡管情況并非總是如此,但H 橋通常設(shè)計為將高側(cè)開關(guān)(即連接到 VDD 的 FET)實現(xiàn)為 PMOS 器件。而低側(cè)開關(guān)(即連接到 GND 的 FET)作為 NMOS 器件實現(xiàn)。

在驅(qū)動電機時,我們旨在控制的主要兩件事是它的速度和方向。要在實踐中做到這一點,標準做法是使用 PWM 驅(qū)動 MOSFET 柵極。使用 PWM,我們可以通過控制電機的占空比(即它打開的時間百分比)來控制電機的速度,這樣我們就可以根據(jù)需要為電機提供盡可能多或盡可能少的功率。

在圖 3 中進一步顯示,Q1 和 Q4 的柵極以及 Q2 和 Q3 的柵極由彼此互補的信號驅(qū)動。這種控制方案,其中多個門由 PWM 信號 180° 異相 [視頻] 彼此驅(qū)動,被稱為互補 PWM。

如圖 4 所示,此設(shè)置可確保當 Q1 的柵極為低電平時,Q4 的柵極同時為高電平。


使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制


圖 4.互補 PWM 信號


由于 Q1 是 PMOS,Q4 是 NMOS,該動作同時關(guān)閉開關(guān) Q1 和 Q4,允許電流正向流過電機。在此期間,Q2 和 Q3 必須打開,這意味著 Q2 的柵極為高電平而 Q3 的柵極為低電平。

電機控制安全:PWM 直通

在 H 橋中使用互補 PWM 時的一個主要考慮因素是短路的可能性,也稱為“直通”。

如圖 5 所示,如果同一橋臂上的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通,則 H 橋配置可能會在電源和地之間造成直接短路。 


使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制
圖 5.如果同一支路上的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通,則可能會發(fā)生擊穿


這種情況可能非常危險,因為它可能導(dǎo)致晶體管和整個電路過熱和損壞。

由于固有器件延遲和非理想情況(例如柵極電容和二極管反向恢復(fù)效應(yīng)),直通成為基于 FET 的 H 橋的主要考慮因素。這些影響的結(jié)果是 MOSFET 不是理想的開關(guān),并且在柵極控制信號打開/關(guān)閉與 MOSFET 本身打開/關(guān)閉之間存在小的時間延遲。

由于這種延遲,互補 PWM 信號可能會意外導(dǎo)致同一橋臂上的 H 橋 MOSFET 同時導(dǎo)通,從而導(dǎo)致?lián)舸?nbsp;

用于直流電機控制的 PWM 死區(qū)時間

為了解決由 FET 非理想情況引起的直通,標準解決方案是在 PWM 控制中實施死區(qū)時間。

在直流電機控制的背景下,死區(qū)時間是在驅(qū)動同一 H 橋橋臂上的開關(guān)的 PWM 信號的開關(guān)邊沿之間插入的一小段時間(圖 6)。


使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制
圖 6.互補 PWM 信號之間的死區(qū)時間。圖片由Widodo 等人提供


通過在一個 FET 關(guān)閉和另一個 FET 導(dǎo)通之間留出時間緩沖,死區(qū)時間可確保同一支路上的兩個晶體管不會同時導(dǎo)通,從而防止擊穿。

雖然存在死區(qū)時間電路,但它通常在固件中實現(xiàn),其中微控制器 (MCU)定時器可以在互補信號之間生成所需的死區(qū)時間。


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