使用互補 PWM、擊穿和死區(qū)時間的 H 橋直流電機控制-設(shè)計應用

精品文檔-下載后可編輯使用互補PWM、擊穿和死區(qū)時間的H橋直流電機控制-設(shè)計應用在幾乎所有機電應用中，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，基本和應用廣泛的電路是H橋?？梢栽赥I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體場效應晶體管(MOSFET)來實現(xiàn)。

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。

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。

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。

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)同時導通，則H橋配置可能會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開關(guān)同時導通，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效應），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信號可能會意外導致同一橋臂上的H橋MOSFET同時導通，從而導致?lián)舸?/p>

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）。

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導通之間留出時間緩沖，