使用互補PWM、直通和死區時(shí)間的H橋直流電機控制

2022-08-31

使用互補PWM、直通和死區時(shí)間的H橋直流電機控制

電機控制是幾乎所有機電應用中電子設計的一個(gè)基本方面。機器人和電動(dòng)汽車(chē)(EV)等領(lǐng)域需要電機的電路和固件控制，以可靠地影響給定設備的運動(dòng)。

每種類(lèi)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橋電路以及互補PWM等控制技術(shù)。 

H橋工作原理——什么是H橋電路？

在驅動(dòng)和控制直流電機時(shí)，最基本和最廣泛使用的電路是H橋?？梢栽?span>TI的數據表中看到一個(gè)示例。

如圖1所示，H橋由四個(gè)開(kāi)關(guān)組成，這些開(kāi)關(guān)通常使用圍繞直流電機的“H”形拓撲結構的 金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 ( MOSFET )實(shí)現。

圖 1.用于直流電機控制的標準H橋電路

H橋可以成為直流電機控制的有用電路，因為它通過(guò)選擇性地打開(kāi)和關(guān)閉一系列這些開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機的方向和速度。

如圖2所示，通過(guò)在SW2和SW3關(guān)閉的情況下打開(kāi)SW1和SW4，我們可以控制電流沿特定方向流過(guò)電機，從而使其沿一個(gè)方向轉動(dòng)。

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

要以相反的方向轉動(dòng)電機，我們做相反的事情，讓SW1和SW4關(guān)閉，同時(shí)打開(kāi)SW2和SW3。

非重疊或互補PWM

在實(shí)踐中，H橋中的開(kāi)關(guān)實(shí)際上是使用MOSFET實(shí)現的，如圖3所示。 

圖 3. 使用MOSFET的H橋實(shí)現

雖然并非總是如此，但H橋通常設計為將高側開(kāi)關(guān)（即連接到VDD的FET）實(shí)現為PMOS器件。而低側開(kāi)關(guān)（即，連接到GND的FET）被實(shí)現為NMOS器件。

在驅動(dòng)電機方面，我們要控制的主要兩件事是它的速度和方向。為了在實(shí)踐中做到這一點(diǎn)，標準的做法是使用PWM驅動(dòng)MOSFET柵極。使用PWM，我們可以通過(guò)控制電機的占空比（即開(kāi)啟時(shí)間的百分比）來(lái)控制電機的速度，這樣我們就可以根據需要為電機提供盡可能多或盡可能少的功率。

如圖3所示，Q1和Q4的柵極以及Q2和Q3的柵極由相互互補的信號驅動(dòng)。這種控制方案，其中多個(gè)門(mén)由PWM信號驅動(dòng)，彼此相差180° [視頻]，稱(chēng)為互補PWM。

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

圖4.互補PWM信號 

由于Q1是PMOS而Q4是NMOS，這個(gè)動(dòng)作同時(shí)閉合開(kāi)關(guān)Q1和Q4，允許電流正向流過(guò)電機。在此期間，Q2和Q3必須打開(kāi)，這意味著(zhù)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(shí)的一個(gè)主要考慮因素是短路的可能性，也稱(chēng)為“擊穿”。

如圖5所示，如果同一條腿上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)，H橋配置可能會(huì )在電源和地之間直接短路。  

圖5.如果同一條腿上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)，可能會(huì )發(fā)生擊穿 

這種情況可能非常危險，因為它可能導致晶體管和整個(gè)電路過(guò)熱和損壞。

由于固有器件延遲和非理想因素（例如柵極電容和二極管反向恢復效應），擊穿成為基于FET的H橋的主要考慮因素。這些影響的結果是MOSFET不是一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)，并且在柵極控制信號打開(kāi)/關(guān)閉和 MOSFET本身打開(kāi)/關(guān)閉之間有一個(gè)小的時(shí)間延遲。

由于這種延遲，互補PWM信號可能會(huì )意外地導致同一支路上的H橋MOSFET同時(shí)開(kāi)啟，從而導致?lián)舸?span> 

直流電機控制的PWM死區時(shí)間

為了解決由FET非理想情況引起的擊穿，標準解決方案是在PWM控制中實(shí)施死區時(shí)間。

在直流電機控制的情況下，死區時(shí)間是在PWM信號的開(kāi)關(guān)邊沿之間插入的一小段時(shí)間，該信號驅動(dòng)同一H橋橋臂上的開(kāi)關(guān)（圖 6）。

圖6.互補PWM信號之間的死區時(shí)間。

通過(guò)在一個(gè)FET關(guān)斷和另一個(gè)FET導通之間留出時(shí)間緩沖，死區時(shí)間通過(guò)確保同一支路上的兩個(gè)晶體管不會(huì )同時(shí)導通來(lái)防止擊穿。

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