單極 4 象限 PWM 技術(shù)：最接近最佳的應(yīng)用方案

那么，哪種 PWM 技術(shù)最適合您的電機控制應(yīng)用?到目前為止，您可能已經(jīng)猜到?jīng)]有“一種”PWM 技術(shù)對所有應(yīng)用都是最佳的。但是我們今天要討論的技術(shù)非常接近。它被稱為單極 4 象限 PWM 技術(shù)(形式 II)。

與我在上一篇文章中討論的雙極 PWM 技術(shù)一樣，沒有正向/反向信號。方向信息在 PWM 輸入電平內(nèi)編碼，可在 +1 和 -1 之間轉(zhuǎn)換。模擬比較器用于將輸入電壓電平與三角載波信號進行比較，以生成“L”和“R”PWM 信號。在使用數(shù)字 PWM 外圍設(shè)備的微控制器中，比較是在計數(shù)器的輸出和表示所需脈沖寬度的數(shù)字字之間進行數(shù)字比較的。

由于 H 橋的每一半都以互補方式驅(qū)動，因此我們必須在頂部和底部 PWM 信號之間包括死區(qū)時間。假設(shè)死區(qū)時間由 PWM 模塊內(nèi)部提供，該技術(shù)需要四個處理器上的 PWM 引腳!盡管該技術(shù)對 PWM 信號有著永不滿足的需求，但它具有先前單極拓撲的所有優(yōu)點，加上在大多數(shù)情況下可以證明其選擇的獨特優(yōu)勢;…它使電機看到的 PWM 頻率加倍!我們可以通過波形的諧波分解來從數(shù)學上顯示這種效應(yīng)，但通過簡單地研究上面的波形更容易理解這種效應(yīng)。假設(shè)“L”波形出現(xiàn)在H橋的左半邊，“R”波形出現(xiàn)在H橋的右半邊，那么電機就會看出區(qū)別這兩個波形之間。如果從“L”波形中減去“R”波形，就會得到藍色波形，它的 PWM 頻率顯然是紅色或綠色波形的兩倍。這通常是一個理想的特性，因為電機的 L/R 時間常數(shù)在濾除載波諧波方面的效率是兩倍。然而，晶體管仍將以較低的載波頻率開關(guān)，這也有利于 H 橋中的開關(guān)損耗。這是工程學中難得的可以吃蛋糕的時刻之一!:-) 要觀看此 PWM 技術(shù)在象限 1 中運行的動畫，請單擊此處的超鏈接。

為了達到PWM倍頻效果，有兩個要求必須具備：

1. H 橋每一側(cè)的兩個 PWM 信號必須居中對齊。注意上圖中的“L”和“R”信號。兩個信號之間的高端脈沖的中間對齊，如垂直虛線所示。同樣，低側(cè)脈沖的中間也對齊。通過在大多數(shù)電機控制處理器上選擇正確的 PWM 模塊工作模式，很容易產(chǎn)生這種情況。

2. 左右 PWM 閾值必須始終相等且極性相反。例如，如果“左 PWM”信號是正弦波，那么“右 PWM”信號必須是偏移 180 度的同一個正弦波。當我們將這種技術(shù)擴展到三相系統(tǒng)時，這種區(qū)別將變得很重要。

對于之前文章中討論的雙極 PWM，H 橋內(nèi)沒有再循環(huán)電流，電機電流始終流經(jīng)分流電阻器。但是，由于 H 橋內(nèi)的再循環(huán)電流，當今的技術(shù)(與所有單極 PWM 技術(shù)一樣)在使用單個分流電阻器時，在 PWM 周期的某些部分會出現(xiàn)中斷間隔。此外，如果我們使用具有有限帶寬和轉(zhuǎn)換速率規(guī)格的分流信號放大器，我們必須限制 PWM 占空比的允許范圍，以防止電阻器上的電流脈沖太窄而無法被放大器處理。但是，如果我們使用如上所示的兩個電阻器，則無論占空比值如何，總有機會在 PWM 周期內(nèi)讀取至少一個電阻器上的電機電流。實際上，我們現(xiàn)在可以看到電機電流，即使它在 H 橋的下半部分再循環(huán)!然而，這種方法的缺點相當明顯，包括用于電流檢測的組件數(shù)量增加一倍，分流電阻器消耗的功率損耗增加一倍。

可以在此處找到將這種 PWM 技術(shù)與經(jīng)典雙極 PWM 技術(shù)進行比較的 VisSim 模擬。同樣，如果您的計算機上沒有安裝 VisSim，您可以在此處的鏈接下載并安裝免費的 VisSim 文件查看器。繼續(xù)并打開文件并單擊綠色的運行箭頭。更改 PWM 占空比滑塊并將單極技術(shù)的電流紋波與雙極技術(shù)的電流紋波進行比較，尤其是在較低的占空比值下。較低的電流紋波導(dǎo)致電機發(fā)熱較少，代表了該技術(shù)的主要優(yōu)勢。

到現(xiàn)在為止，我們只討論了 PWM 在直流電機上的應(yīng)用。但是交流電機呢?在本系列的下一篇博文中，我們會將這種單極 PWM 技術(shù)擴展到多相應(yīng)用，并以對再生和堵塞的進一步研究作為結(jié)尾。