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使用互補PWM、直通和死區時間的H橋直流電機控制
使用互補PWM、直通和死區時間的H橋直流電機控制
電機控制是幾乎所有機電應用中電子設計的一個基本方面。機器人和電動汽車(EV)等領域需要電機的電路和固件控制，以可靠地影響給定設備的運動。
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橋電路以及互補PWM等控制技術。
H橋工作原理——什么是H橋電路？
在驅動和控制直流電機時，最基本和最廣泛使用的電路是H橋。可以在TI的數據表中看到一個示例。
如圖1所示，H橋由四個開關組成，這些開關通常使用圍繞直流電機的“H”形拓撲結構的 金屬氧化物半導體場效應晶體管 ( MOSFET )實現。
圖 1.用于直流電機控制的標準H橋電路
H橋可以成為直流電機控制的有用電路，因為它通過選擇性地打開和關閉一系列這些開關來控制電機的方向和速度。
如圖2所示，通過在SW2和SW3關閉的情況下打開SW1和SW4，我們可以控制電流沿特定方向流過電機，從而使其沿一個方向轉動。
圖 2. 有選擇地打開和關閉這些開關將控制電機的速度和方向
要以相反的方向轉動電機，我們做相反的事情，讓SW1和SW4關閉，同時打開SW2和SW3。
非重疊或互補PWM
在實踐中，H橋中的開關實際上是使用MOSFET實現的，如圖3所示。
圖 3. 使用MOSFET的H橋實現
雖然并非總是如此，但H橋通常設計為將高側開關（即連接到VDD的FET）實現為PMOS器件。而低側開關（即，連接到GND的FET）被實現為NMOS器件。
在驅動電機方面，我們要控制的主要兩件事是它的速度和方向。為了在實踐中做到這一點，標準的做法是使用PWM驅動MOSFET柵極。使用PWM，我們可以通過控制電機的占空比（即開啟時間的百分比）來控制電機的速度，這樣我們就可以根據需要為電機提供盡可能多或盡可能少的功率。
如圖3所示，Q1和Q4的柵極以及Q2和Q3的柵極由相互互補的信號驅動。這種控制方案，其中多個門由PWM信號驅動，彼此相差180° [視頻]，稱為互補PWM。
如圖4所示，此設置可確保當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而Q4是NMOS，這個動作同時閉合開關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“擊穿”。
如圖5所示，如果同一條腿上的兩個開關同時打開，H橋配置可能會在電源和地之間直接短路。
圖5.如果同一條腿上的兩個開關同時打開，可能會發生擊穿
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因素（例如柵極電容和二極管反向恢復效應），擊穿成為基于FET的H橋的主要考慮因素。這些影響的結果是MOSFET不是一個理想的開關，并且在柵極控制信號打開/關閉和 MOSFET本身打開/關閉之間有一個小的時間延遲。
由于這種延遲，互補PWM信號可能會意外地導致同一支路上的H橋MOSFET同時開啟，從而導致擊穿。
直流電機控制的PWM死區時間
為了解決由FET非理想情況引起的擊穿，標準解決方案是在PWM控制中實施死區時間。
在直流電機控制的情況下，死區時間是在PWM信號的開關邊沿之間插入的一小段時間，該信號驅動同一H橋橋臂上的開關（圖 6）。
圖6.互補PWM信號之間的死區時間。
通過在一個FET關斷和另一個FET導通之間留出時間緩沖，死區時間通過確保同一支路上的兩個晶體管不會同時導通來防止擊穿。
雖然存在死區時間電路，但它通常在固件中實現，其中高級微控制器(MCU)定時器可以在互補信號之間生成所需的死區時間。