基于H 橋驅(qū)動(dòng)的單極二象限驅(qū)動(dòng)器

那么，哪種 PWM 技術(shù)最適合您的電機(jī)控制應(yīng)用?在之前的文章中，我們研究了單象限 PWM 技術(shù)，它非常適合成本極其敏感的電機(jī)控制應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，您希望通過(guò)改變 PWM 信號(hào)的占空比來(lái)控制電機(jī)的速度。但是電機(jī)只能在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，并在同一方向上產(chǎn)生扭矩。我們還介紹了“H 橋”作為研究其他 PWM 拓?fù)涞奶濉Ｔ谶@篇文章中，讓我們來(lái)看看如何使用 H 橋構(gòu)建雙向速度控制功率級(jí)。特別是，我們將構(gòu)建一個(gè)2 象限驅(qū)動(dòng)器因?yàn)樗梢援a(chǎn)生具有正扭矩的正向運(yùn)動(dòng)(第 1 象限)，或產(chǎn)生具有負(fù)扭矩的反向運(yùn)動(dòng)(第 3 象限)。我們將再次選擇直流電機(jī)進(jìn)行討論，因?yàn)槭褂弥绷麟姍C(jī)更容易理解這些概念。

對(duì)于象限 1 中的單極性 PWM 操作，當(dāng)我們向 Q4 施加 PWM 信號(hào)時(shí)，Q1 連續(xù)導(dǎo)通。您可以點(diǎn)擊此處觀看第 1 象限中單極 PWM 操作的動(dòng)畫(huà) 。當(dāng) Q4 導(dǎo)通時(shí)，從 V總線創(chuàng)建電流路徑，通過(guò) Q1，通過(guò)電機(jī)，通過(guò) Q4，并通過(guò)地面返回。在此 PWM 狀態(tài)結(jié)束時(shí)，Q4 關(guān)閉。由于電機(jī)繞組有電感，所以會(huì)爭(zhēng)取保持電機(jī)電流同向流動(dòng)。電感器保護(hù)它的電流就像母親保護(hù)她的孩子一樣。它實(shí)際上是在說(shuō)，“別弄亂我的電流!如果你這樣做，我會(huì)產(chǎn)生任何必要的電壓來(lái)保持我的電流流動(dòng)?！? 結(jié)果，電感器迫使 Q3 的背體二極管導(dǎo)通。但由于 Q1 始終導(dǎo)通，電機(jī)電流將通過(guò) Q1 而非直流電源返回。當(dāng)您考慮時(shí)，您會(huì)意識(shí)到由于 Q1 持續(xù)開(kāi)啟，該電路的行為與之前討論的單象限驅(qū)動(dòng)器完全一樣，但有一個(gè)例外……如果您希望電機(jī)沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，只需一直打開(kāi) Q3 并改為 PWM Q2。這導(dǎo)致電機(jī)反向運(yùn)行并產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的象限 3 運(yùn)行。您可以通過(guò)單擊查看此過(guò)程的動(dòng)畫(huà)在這里。

有趣的是，在第一象限和第三象限操作中，無(wú)論電流在電機(jī)中流向哪個(gè)方向，母線電流要么為正要么為零!換句話說(shuō)，這種 PWM 技術(shù)不能再生能量。這是因?yàn)楦袘?yīng)反激電流被“困”在 H 橋的上半部分，永遠(yuǎn)不會(huì)流回直流母線。這可能是優(yōu)勢(shì)也可能是劣勢(shì)，具體取決于您的應(yīng)用。如果您永遠(yuǎn)不必?fù)?dān)心再生能源，那么您就不必在設(shè)計(jì)中增加費(fèi)用來(lái)處理它。另一方面，如果你想回收負(fù)載能量，那么這種 PWM 技術(shù)對(duì)你來(lái)說(shuō)不是一個(gè)好的選擇。

這種技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它在任何給定時(shí)間只需要一個(gè) PWM 信號(hào)。這意味著與某些其他 PWM 拓?fù)湎啾龋梢詮囊粋€(gè)處理器控制更多電機(jī)。此外，在任何給定時(shí)間只有一個(gè)晶體管在開(kāi)關(guān)，因此您的開(kāi)關(guān)損耗最小化。最后，每個(gè) PWM 周期只有一個(gè)二極管瞬變事件(當(dāng) Q3 背體二極管導(dǎo)通后 Q4 再次導(dǎo)通時(shí))。因此，與我們之前討論的單象限技術(shù)相比，該技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生更多的開(kāi)關(guān)噪聲。

這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是即使你有四個(gè)晶體管，你仍然不能在所有四個(gè)象限中運(yùn)行。這就像一輛沒(méi)有剎車(chē)的汽車(chē)!如果你想放慢速度，你有兩種選擇;將腳從油門(mén)上抬起并滑行(降低 PWM 占空比)，或者突然將汽車(chē)倒車(chē)(立即從第一象限過(guò)渡到第三象限!)順便說(shuō)一下，我不建議您嘗試這個(gè)，或者您可能會(huì)在整個(gè)高速公路上留下您的變速箱碎片!后一種情況稱(chēng)為 PLUGGING。雖然它會(huì)導(dǎo)致電機(jī)超快減速，但這通常不是一個(gè)好主意，因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的高電流可能會(huì)使您的驅(qū)動(dòng)器部件散落在整個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上!

您應(yīng)該知道，在一種情況下，這種 PWM 技術(shù)(甚至是上一篇文章中的單象限電路)可能會(huì)導(dǎo)致能量再生回到您的直流電源中。當(dāng)負(fù)載使電機(jī)在任一方向加速時(shí)，沒(méi)有任何東西可以阻止它失控，因?yàn)檫@種 PWM 技術(shù)無(wú)法提供任何制動(dòng)。電機(jī)將繼續(xù)加速，直到其反電動(dòng)勢(shì)電壓幅值等于直流電源電壓。如果速度超過(guò)該點(diǎn)，F(xiàn)ET 中的背體二極管將導(dǎo)通，負(fù)電流將流入直流母線。我們將在以后的文章中討論處理此問(wèn)題的方法。

總之，這種 PWM 技術(shù)在需要雙向電機(jī)速度控制的應(yīng)用中很受歡迎，但如果電機(jī)在您想要減速時(shí)自行滑行也沒(méi)有關(guān)系。在下一篇博文中，我們將看到僅通過(guò)改變其中一個(gè)晶體管上的一個(gè) 信號(hào)，同時(shí)我們就可以使用能量再生來(lái)使電機(jī)減速。