如何正確的使用雙極PWM 技術(shù)來驅(qū)動(dòng)我們的電機(jī)系統(tǒng)

那么，哪種 PWM 技術(shù)最適合您的電機(jī)控制應(yīng)用?到目前為止，我們已經(jīng)研究了三種不同的 PWM 技術(shù)。有些可以將能量再生回直流電源，有些則不能。但它們都有一個(gè)共同特征：?jiǎn)螛O電壓波形。換句話說，對(duì)于任何給定的 PWM 周期，電機(jī)電壓波形在 Vbus 和地之間或 –Vbus 和地之間轉(zhuǎn)換。在這篇文章中，我們將研究雙極PWM 技術(shù)的主張。對(duì)于每個(gè) PWM 周期，電機(jī)電壓波形在 Vbus 和 –Vbus 之間轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電機(jī)電壓波形幅度是單極 PWM 的兩倍。為此，我們將連接 H 橋。

我們不再有正向/反向信號(hào)的事實(shí)怎么樣。對(duì)于雙極性 PWM，正向和反向信息編碼在 PWM 信號(hào)本身中。假設(shè)沒有負(fù)載，占空比超過 50% 的 PWM 值會(huì)導(dǎo)致正向運(yùn)動(dòng)，占空比低于 50% 的值會(huì)導(dǎo)致反向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于那里的機(jī)械工程師來說，這在電氣上相當(dāng)于靜液壓無級(jí)變速器 (CVT)。有了這樣的系統(tǒng)，您就沒有單獨(dú)的前進(jìn)檔和倒檔。您只需移動(dòng)搖桿即可同時(shí)控制速度和方向，中間位置對(duì)應(yīng)零速。

雙極 PWM 技術(shù)本質(zhì)上是一種四象限技術(shù)。只要施加的平均電機(jī)電壓與電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓具有相同的極性，并且幅度大于反電動(dòng)勢(shì)，則電機(jī)將以電動(dòng)模式運(yùn)行。您可以單擊此處觀看使用雙極 PWM 的象限 1 運(yùn)行模擬。但是，如果施加的平均電機(jī)電壓與反電動(dòng)勢(shì)的極性相同，但其幅值小于反電動(dòng)勢(shì)，則電機(jī)將以發(fā)電模式運(yùn)行。您可以單擊此處觀看雙極 PWM 的象限 4 運(yùn)行模擬。

雙極 PWM 技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它只需要來自處理器的一個(gè) PWM 信號(hào)(如果死區(qū)時(shí)間是在 PWM 模塊本身內(nèi)生成的，則需要兩個(gè))。假設(shè)死區(qū)時(shí)間由 FET 柵極驅(qū)動(dòng)器在外部提供，這意味著在具有六個(gè)獨(dú)立 PWM 的處理器上可以使用雙極 PWM 驅(qū)動(dòng)多達(dá)六個(gè)直流電機(jī)!

但也許雙極 PWM 的最大優(yōu)勢(shì)在于，無論 PWM 信號(hào)處于何種狀態(tài)，電機(jī)電流始終流過單個(gè)分流電阻器。因此，既然我們可以持續(xù)查看電機(jī)電流，那么問題就變成了，“什么時(shí)候采樣電流波形?雖然我打算在以后的文章中更詳細(xì)地處理電流采樣，但讓我在這里簡(jiǎn)要介紹一下。在大多數(shù)情況下，您希望獲得平均值電機(jī)電流作為時(shí)間的函數(shù)。但問題是電流波形上對(duì)應(yīng)于平均電流值的點(diǎn)將出現(xiàn)在 PWM 周期內(nèi)的不同時(shí)間，具體取決于占空比是多少。因此，我們要么必須使用定時(shí)器在 PWM 波形內(nèi)的不同時(shí)間觸發(fā) ADC，具體取決于命令的占空比，要么……

我們可以使用中心對(duì)齊的PWM。在大多數(shù)情況下，我們選擇使用中心對(duì)齊的 PWM，因?yàn)閮蓚€(gè)獨(dú)立的 PWM 信號(hào)之間存在諧波相互作用。但在這種情況下，我們只有一個(gè) PWM 信號(hào)。那么為什么使用中心對(duì)齊的 PWM 有幫助呢?在這種情況下，它是如何中心對(duì)齊的 PWM 在 PWM 模塊中創(chuàng)建，在應(yīng)用于雙極 PWM 時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。參考下圖，可以使用三角計(jì)數(shù)器波形生成中心對(duì)齊的 PWM，其中計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)到最大模值，然后翻轉(zhuǎn)并向下計(jì)數(shù)到最小模值，依此類推。隨著調(diào)制電壓的變化，PWM 脈沖寬度也發(fā)生變化，使得載波波峰和波谷分別出現(xiàn)在低脈沖寬度和高脈沖寬度的中心。如果我們忽略死區(qū)時(shí)間引起的任何延遲，我們會(huì)看到電流的平均值也在載波到達(dá)峰值或谷值時(shí)出現(xiàn)!很整潔吧?在我們的 C2000 處理器上使用的 PWM 模塊上，ADC 觸發(fā)器可以在計(jì)數(shù)器峰值和谷值處生成，然后可用于在電流波形等于其平均值時(shí)對(duì)電流進(jìn)行采樣。事實(shí)上，使用雙極 PWM，您有兩次機(jī)會(huì)在一個(gè) PWM 周期內(nèi)對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣，這使您可以根據(jù)需要以兩倍于 PWM 的頻率運(yùn)行數(shù)字電流環(huán)路。

重建電機(jī)電流波形時(shí)出現(xiàn)的另一個(gè)問題是，對(duì)于非常窄的脈沖寬度，分流信號(hào)僅在非常短的時(shí)間內(nèi)反映電機(jī)電流，并且可能太短而無法獲得可靠的讀數(shù)。但是，對(duì)于雙極性 PWM，如果其中一個(gè) PWM 狀態(tài)的脈沖寬度太短，您可以簡(jiǎn)單地切換到另一個(gè) PWM 狀態(tài)，其中分流信號(hào)會(huì)相應(yīng)地變長(zhǎng)!因此，您始終可以保證在每個(gè) PWM 周期內(nèi)至少有一個(gè)間隔(無論占空比值如何)，其中分流信號(hào)寬度足夠?qū)?，可以輕松方便地準(zhǔn)確讀取電機(jī)電流。

然而，雙極 PWM 技術(shù)確實(shí)存在一個(gè)值得注意的缺點(diǎn)：與單極 PWM 技術(shù)相比，電機(jī)電壓波形包含更多的諧波成分。下圖比較了單極性和雙極性 PWM 電壓波形(減去直流分量)的歸一化 RMS 內(nèi)容，作為從 -1 到 +1 掃描 PWM 占空比的函數(shù)。這些額外的諧波不僅會(huì)導(dǎo)致更高的電流紋波，還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)額外發(fā)熱。這就是為什么雙極 PWM 技術(shù)通常僅限于具有高電氣時(shí)間常數(shù)的電機(jī)，可以更好地濾除這些諧波。如果電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)不高，則必須經(jīng)常提高 PWM 頻率以減少電流紋波。然而，這會(huì)增加 H 橋中的開關(guān)損耗，

然而，在某些應(yīng)用中，即使是這種缺點(diǎn)也可以轉(zhuǎn)化為優(yōu)于單極 PWM 的優(yōu)點(diǎn)。有時(shí)您需要非常快速地調(diào)整電機(jī)電流(例如步進(jìn)電機(jī)上的高頻微步)。事實(shí)上，某些應(yīng)用會(huì)在電流波形上需要快速轉(zhuǎn)換電流的特定點(diǎn)從單極 PWM 過渡到雙極 PWM。

可在此處找到 VisSim 仿真，該仿真比較了以相同負(fù)載運(yùn)行的相同電機(jī)上的單極和雙極 PWM 。我鼓勵(lì)你玩這個(gè)模擬，看看你是否可以憑經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證上圖。在我們的下一篇文章中，我們將探索另一種單極 PWM 技術(shù)，該技術(shù)實(shí)際上可以使電機(jī)看到的 PWM 頻率加倍，同時(shí)仍以常規(guī) PWM 頻率切換晶體管。它還提供了一個(gè)了解標(biāo)準(zhǔn)三相正弦 PWM 工作原理的跳板。