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-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的H橋直流電機(jī)控制-設(shè)計(jì)應(yīng)用在幾乎所有機(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(duì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)來實(shí)現(xiàn)。

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)。

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。

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(hào)驅(qū)動(dòng)。這種控制方案，其中多個(gè)門由PWM信號(hào)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。

圖4.互補(bǔ)PWM信號(hào)

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。

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(hào)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(hào)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?/p>

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(hào)的開關(guān)邊沿之間插入的一小段時(shí)間（圖6）。

圖6.互補(bǔ)PWM信號(hào)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，