使用(yòng)互补PWM、直通和死區(qū)时间的H桥直流電(diàn)机控制

2022-08-31

使用(yòng)互补PWM、直通和死區(qū)时间的H桥直流電(diàn)机控制

電(diàn)机控制是几乎所有(yǒu)机電(diàn)应用(yòng)中電(diàn)子设计的一个基本方面。机器人和電(diàn)动汽車(chē)(EV)等领域需要電(diàn)机的電(diàn)路和固件控制，以可(kě)靠地影响给定设备的运动。

每种类型的電(diàn)机都有(yǒu)自己的控制要求，需要独特的電(diàn)路和正确操作的理(lǐ)解。在本文(wén)中，我们将了解直流電(diàn)机控制、H桥電(diàn)路以及互补PWM等控制技术。 

H桥工作原理(lǐ)——什么是H桥電(diàn)路？

在驱动和控制直流電(diàn)机时，最基本和最广泛使用(yòng)的電(diàn)路是H桥。可(kě)以在TI的数据表中看到一个示例。

如图1所示，H桥由四个开关组成，这些开关通常使用(yòng)围绕直流電(diàn)机的“H”形拓扑结构的 金属氧化物(wù)半导體(tǐ)场效应晶體(tǐ)管 ( MOSFET )实现。

图 1.用(yòng)于直流電(diàn)机控制的标准H桥電(diàn)路

H桥可(kě)以成為(wèi)直流電(diàn)机控制的有(yǒu)用(yòng)電(diàn)路，因為(wèi)它通过选择性地打开和关闭一系列这些开关来控制電(diàn)机的方向和速度。

如图2所示，通过在SW2和SW3关闭的情况下打开SW1和SW4，我们可(kě)以控制電(diàn)流沿特定方向流过電(diàn)机，从而使其沿一个方向转动。

图 2. 有(yǒu)选择地打开和关闭这些开关将控制電(diàn)机的速度和方向

要以相反的方向转动電(diàn)机，我们做相反的事情，让SW1和SW4关闭，同时打开SW2和SW3。

非重叠或互补PWM

在实践中，H桥中的开关实际上是使用(yòng)MOSFET实现的，如图3所示。 

图 3. 使用(yòng)MOSFET的H桥实现

虽然并非总是如此，但H桥通常设计為(wèi)将高侧开关（即连接到VDD的FET）实现為(wèi)PMOS器件。而低侧开关（即，连接到GND的FET）被实现為(wèi)NMOS器件。

在驱动電(diàn)机方面，我们要控制的主要两件事是它的速度和方向。為(wèi)了在实践中做到这一点，标准的做法是使用(yòng)PWM驱动MOSFET栅极。使用(yòng)PWM，我们可(kě)以通过控制電(diàn)机的占空比（即开启时间的百分(fēn)比）来控制電(diàn)机的速度，这样我们就可(kě)以根据需要為(wèi)電(diàn)机提供尽可(kě)能(néng)多(duō)或尽可(kě)能(néng)少的功率。

如图3所示，Q1和Q4的栅极以及Q2和Q3的栅极由相互互补的信号驱动。这种控制方案，其中多(duō)个门由PWM信号驱动，彼此相差180° [视频]，称為(wèi)互补PWM。

如图4所示，此设置可(kě)确保当Q1的栅极為(wèi)低電(diàn)平时，Q4的栅极同时為(wèi)高電(diàn)平。

图4.互补PWM信号 

由于Q1是PMOS而Q4是NMOS，这个动作同时闭合开关Q1和Q4，允许電(diàn)流正向流过電(diàn)机。在此期间，Q2和Q3必须打开，这意味着Q2的栅极為(wèi)高電(diàn)平，而Q3的栅极為(wèi)低電(diàn)平。 

電(diàn)机控制安全：PWM直通

在H桥中使用(yòng)互补PWM时的一个主要考虑因素是短路的可(kě)能(néng)性，也称為(wèi)“击穿”。

如图5所示，如果同一条腿上的两个开关同时打开，H桥配置可(kě)能(néng)会在電(diàn)源和地之间直接短路。  

图5.如果同一条腿上的两个开关同时打开，可(kě)能(néng)会发生击穿 

这种情况可(kě)能(néng)非常危险，因為(wèi)它可(kě)能(néng)导致晶體(tǐ)管和整个電(diàn)路过热和损坏。

由于固有(yǒu)器件延迟和非理(lǐ)想因素（例如栅极電(diàn)容和二极管反向恢复效应），击穿成為(wèi)基于FET的H桥的主要考虑因素。这些影响的结果是MOSFET不是一个理(lǐ)想的开关，并且在栅极控制信号打开/关闭和 MOSFET本身打开/关闭之间有(yǒu)一个小(xiǎo)的时间延迟。

由于这种延迟，互补PWM信号可(kě)能(néng)会意外地导致同一支路上的H桥MOSFET同时开启，从而导致击穿。 

直流電(diàn)机控制的PWM死區(qū)时间

為(wèi)了解决由FET非理(lǐ)想情况引起的击穿，标准解决方案是在PWM控制中实施死區(qū)时间。

在直流電(diàn)机控制的情况下，死區(qū)时间是在PWM信号的开关边沿之间插入的一小(xiǎo)段时间，该信号驱动同一H桥桥臂上的开关（图 6）。

图6.互补PWM信号之间的死區(qū)时间。

通过在一个FET关断和另一个FET导通之间留出时间缓冲，死區(qū)时间通过确保同一支路上的两个晶體(tǐ)管不会同时导通来防止击穿。

虽然存在死區(qū)时间電(diàn)路，但它通常在固件中实现，其中高级微控制器(MCU)定时器可(kě)以在互补信号之间生成所需的死區(qū)时间。