使用單極 4 象限 PWM來驅(qū)動我們電機系統(tǒng)介紹

那么，哪種 PWM 技術最適合您的電機控制應用?到目前為止，我們已經(jīng)研究了兩種電機驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)，它們會在電機上產(chǎn)生單極 PWM 電壓波形，但如果您想快速減速，則無法為電機提供任何制動。在這篇博文中，讓我們看看第三種單極 PWM 技術，它通過允許能量再生返回到您的電源來提供電機制動。我們稱之為“單極 4 象限 PWM”(表 1)。我們要分析的H-Bridge電路如下圖所示：

與之前的單極拓撲相比，最顯著的變化是我們現(xiàn)在以互補模式驅(qū)動頂部和底部晶體管。換句話說，每當?shù)撞烤w管關閉時，同一支路中的頂部晶體管就會打開，反之亦然。圖中未顯示從一個晶體管關斷到其互補晶體管導通的隱含死區(qū)時間。對于大多數(shù)功率 FET，死區(qū)時間可能在大約 100 納秒到幾乎 1 uS 之間。我見過的最快死區(qū)時間是在我們的 DRV-8312 器件上，為 5 nS!由于死區(qū)時間會導致與電流過零相關的失真，因此 5 nS 的小死區(qū)時間幾乎不會導致任何失真。

回到我們上面的電路示例，讓我們分析 Fwd/Rev 設置為 1(向前運動)的情況。這意味著 Q1 將持續(xù)導通，而 Q3 和 Q4 以互補方式進行 PWM。我們還假設 PWM 占空比高且電機負載輕，這意味著電機速度也將很高并且反電動勢極性在電機符號左側(cè)為正。

現(xiàn)在讓我們突然降低 PWM 占空比以使電機減速。對于 2 象限 PWM，只要 Q4 關閉，感應反激電流就會在 H 橋的上半部分被捕獲，直到它消失。一旦反激電流消失，反電動勢信號就會出現(xiàn)在電機端子上。在這種狀態(tài)下，H-Bridge 對電機來說就像一個高阻抗，沒有電流流過。但是對于這種 4 象限拓撲，當 Q4 關閉時，Q3 開啟，我們有效地將電機端子短接在一起。由于電機正向旋轉(zhuǎn)(電機左側(cè)的反電動勢極性為正)，這最終導致電流在 H 橋的上半部分沿順時針方向流動。

現(xiàn)在，下一點很重要。當 Q3 現(xiàn)在關斷且 Q4 導通時，電感器現(xiàn)在尋找備用路徑以保持其電流沿相同方向流動。那條路是什么?事實證明，阻力最小的新路徑是通過 Q1 反向流動，作為負電流通過直流電源返回，然后通過 Q4 反向返回。如果您的直流母線具有正電壓和負電流，則意味著在該情況下它具有負功率。這個負母線電流會將母線電容器充電到更高的電壓，直到感應反激被抑制，或者應用下一個開關狀態(tài)。

您應該知道，負母線電流的存在本身并不意味著我們正在再生。負母線電流的瞬時值很常見，因為能量會在每個 PWM 周期內(nèi)在電機電感器和母線電容器之間來回晃動。要確定是否正在發(fā)生再生，我們必須查看母線電流的平均值。如果平均值為負，則說明我們有一個長期的能量從負載轉(zhuǎn)移回您的直流電源。如果跟隨能量，動能(1/2 質(zhì)量 x 速度2)將轉(zhuǎn)換為磁能(1/2 L i 2 )，并最終以 1/2 C v 2的形式存儲在總線電容器中。

話是好的;圖片很棒，但有時，您只需要親眼看到它就可以了解發(fā)生了什么。最好的方法是在實驗室工作臺上，卷起襯衫袖子，拿起示波器探頭，盡情享受吧!然而，理解這個概念的下一個最佳方法是觀看模擬。為此，我創(chuàng)建了一個 VisSim 仿真，顯示兩個具有相同負載的相同電機，提供相同的 PWM 值。但是，一個電機由單極 2 象限 PWM 驅(qū)動，另一個由單極 4 象限 PWM 驅(qū)動。您可以在此處訪問模擬。如果您的計算機上尚未安裝 VisSim，也沒有問題。您可以在此處從 Visual Solutions 的網(wǎng)站下載 60 天試用版，或在此處下載文件查看器程序。使用試用版，您可以訪問所有功能，如果愿意，您甚至可以更改仿真拓撲以測試其他想法。使用查看器，您可以調(diào)整我提供調(diào)整的所有內(nèi)容，但您不能更改模擬本身的結(jié)構(gòu)，也不能保存任何更改。

所以繼續(xù)吧，打開模擬，玩得開心!將 PWM 占空比調(diào)整為較大的值，讓電機加速。然后迅速將占空比降低至零。電機 1(使用 2 象限 PWM)將緩慢滑行。但是電機 2(使用我們剛剛介紹的 4 象限 PWM)會快速減速。這是因為電機 2 正在發(fā)生再生，如其 H 橋上的紅色再生燈所示。模擬的屏幕截圖如下所示。

現(xiàn)在試試這個：在 PWM 仍設置為正值的情況下，將負載轉(zhuǎn)矩更改為負值。幾乎立即，電機 2 開始再生，如其功率級上的紅燈所示。但是，電機 1 無法再生，您可以看到電機加速失控，因為沒有制動。最后，當電機反電動勢達到電源電壓時，您會看到電機 1 的再生燈也亮起。這是因為電機 1 的反電動勢電壓超過電源電壓，導致負電流流入母線。

回到上圖，只要電流在分流電阻器中流動，我們就可以看到電機電流。然而，我們目前討論的所有 PWM 技術都存在停電期，此時電機電流在 H 橋內(nèi)循環(huán)且不流經(jīng)分流電阻器。此外，當脈沖寬度非常窄時，采樣窗口關閉，從而無法獲取電流樣本。這將我們限制在每個 PWM 周期只能進行一次電流采樣，同時也限制了 PWM 占空比。然而，在我們的下一篇博客中，我們將探索雙極 PWM 技術，它允許我們以兩倍的速度對電流進行采樣在大多數(shù)情況下，PWM 頻率，并且每個 PWM 周期始終至少有一個窗口，該窗口足夠?qū)捯垣@取當前樣本，而不管 PWM 占空比值如何。