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使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)控制

發(fā)布時(shí)間:2023-04-14 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在幾乎所有機(jī)電應(yīng)用中,電機(jī)控制都是電子設(shè)計(jì)的一個(gè)基本方面。機(jī)器人和電動(dòng)汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對電機(jī)進(jìn)行電路和固件控制,以可靠地影響給定設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。


在幾乎所有機(jī)電應(yīng)用中,電機(jī)控制都是電子設(shè)計(jì)的一個(gè)基本方面。機(jī)器人和電動(dòng)汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對電機(jī)進(jìn)行電路和固件控制,以可靠地影響給定設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。

每種類型的電機(jī)都有自己的控制要求,需要獨(dú)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(jī)控制、H 橋電路和互補(bǔ)PWM等控制技術(shù)。

H 橋工作原理——什么是 H 橋電路?

在驅(qū)動(dòng)和控制直流電機(jī)時(shí),基本和應(yīng)用廣泛的電路是 H 橋??梢栽赥I 的數(shù)據(jù)表中看到一個(gè)示例。

如圖 1 所示,H 橋由四個(gè)開關(guān)組成,通常使用圍繞直流電機(jī)的“H”形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 來實(shí)現(xiàn)。


使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)控制

圖 1.用于直流電機(jī)控制的標(biāo)準(zhǔn) H 橋電路


H 橋可以作為直流電機(jī)控制的有用電路,因?yàn)樗ㄟ^有選擇地打開和關(guān)閉一系列這些開關(guān)來控制電機(jī)的方向和速度。

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


使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)控制

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


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

非重疊或互補(bǔ) PWM

實(shí)際上,H 橋中的開關(guān)實(shí)際上是使用 MOSFET 實(shí)現(xiàn)的,如圖 3 所示


使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)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(jì)為將高側(cè)開關(guān)(即連接到 VDD 的 FET)實(shí)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(shí)現(xiàn)。

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

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

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


使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)控制


圖 4.互補(bǔ) PWM 信號


由于 Q1 是 PMOS,Q4 是 NMOS,該動(dòng)作同時(shí)關(guān)閉開關(guān) Q1 和 Q4,允許電流正向流過電機(jī)。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(jī)控制安全:PWM 直通

在 H 橋中使用互補(bǔ) PWM 時(shí)的一個(gè)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(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,則 H 橋配置可能會(huì)在電源和地之間造成直接短路。 


使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)控制
圖 5.如果同一支路上的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,則可能會(huì)發(fā)生擊穿


這種情況可能非常危險(xiǎn),因?yàn)樗赡軐?dǎo)致晶體管和整個(gè)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(shí)間延遲。

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

用于直流電機(jī)控制的 PWM 死區(qū)時(shí)間

為了解決由 FET 非理想情況引起的直通,標(biāo)準(zhǔn)解決方案是在 PWM 控制中實(shí)施死區(qū)時(shí)間。

在直流電機(jī)控制的背景下,死區(qū)時(shí)間是在驅(qū)動(dòng)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(shí)間(圖 6)。


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


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

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


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