如何使用 H 橋配置來創(chuàng)建單極二象限驅(qū)動器
2024-8-7 10:40:57??????點擊：
哪種 PWM 技術(shù)最適合您的電機控制應(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控制應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，您希望通過改變 PWM 信號的占空比來控制電機的速度。但是電機只能在一個方向上旋轉(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 拓撲的跳板。在這篇文章中，讓我們來看看如何使用 H 橋構(gòu)建雙向速度控制功率級。特別是，我們將構(gòu)建一個2 象限驅(qū)動器因為它可以產(chǎn)生具有正扭矩的正向運動(第 1 象限)，或產(chǎn)生具有負扭矩的反向運動(第 3 象限)。我們將再次選擇直流電機進行討論，因為使用直流電機更容易理解這些概念。如何使用 H 橋配置來創(chuàng)建單極二象限驅(qū)動器
對于象限 1 中的單極性 PWM 操作，當(dāng)我們向 Q4 施加 PWM 信號時，Q1 連續(xù)導(dǎo)通。您可以點擊此處觀看第 1 象限中單極 PWM 操作的動畫 。當(dāng) Q4 導(dǎo)通時，從 V總線創(chuàng)建電流路徑，通過 Q1，通過電機，通過 Q4，并通過地面返回。在此 PWM 狀態(tài)結(jié)束時，Q4 關(guān)閉。由于電機繞組有電感，所以會爭取保持電機電流同向流動。電感器保護它的電流就像母親保護她的孩子一樣。它實際上是在說，“別弄亂我的電流!如果你這樣做，我會產(chǎn)生任何必要的電壓來保持我的電流流動。” 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，電機電流將通過 Q1 而非直流電源返回。當(dāng)您考慮時，您會意識到由于 Q1 持續(xù)開啟，該電路的行為與之前討論的單象限驅(qū)動器完全一樣，但有一個例外……如果您希望電機沿另一個方向旋轉(zhuǎn)，只需一直打開 Q3 并改為 PWM Q2。這導(dǎo)致電機反向運行并產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩的象限 3 運行。您可以通過單擊查看此過程的動畫在這里。
有趣的是，在第一象限和第三象限操作中，無論電流在電機中流向哪個方向，母線電流要么為正要么為零!換句話說，這種 PWM 技術(shù)不能再生能量。這是因為感應(yīng)反激電流被“困”在 H 橋的上半部分，永遠不會流回直流母線。這可能是優(yōu)勢也可能是劣勢，具體取決于您的應(yīng)用。如果您永遠不必擔(dān)心再生能源，那么您就不必在設(shè)計中增加費用來處理它。另一方面，如果你想回收負載能量，那么這種 PWM 技術(shù)對你來說不是一個好的選擇。
這種技術(shù)的另一個優(yōu)點是它在任何給定時間只需要一個 PWM 信號。這意味著與某些其他 PWM 拓撲相比，您可以從一個處理器控制更多電機。此外，在任何給定時間只有一個晶體管在開關(guān)，因此您的開關(guān)損耗最小化。最后，每個 PWM 周期只有一個二極管瞬變事件(當(dāng) Q3 背體二極管導(dǎo)通后 Q4 再次導(dǎo)通時)。因此，與我們之前討論的單象限技術(shù)相比，該技術(shù)不會產(chǎn)生更多的開關(guān)噪聲。
這種技術(shù)的主要缺點是即使你有四個晶體管，你仍然不能在所有四個象限中運行。這就像一輛沒有剎車的汽車!如果你想放慢速度，你有兩種選擇;將腳從油門上抬起并滑行(降低 PWM 占空比)，或者突然將汽車倒車(立即從第一象限過渡到第三象限!)順便說一下，我不建議您嘗試這個，或者您可能會在整個高速公路上留下您的變速箱碎片!后一種情況稱為 PLUGGING。雖然它會導(dǎo)致電機超快減速，但這通常不是一個好主意，因為由此產(chǎn)生的高電流可能會使您的驅(qū)動器部件散落在整個實驗室工作臺上!
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)可能會導(dǎo)致能量再生回到您的直流電源中。當(dāng)負載使電機在任一方向加速時，沒有任何東西可以阻止它失控，因為這種 PWM 技術(shù)無法提供任何制動。電機將繼續(xù)加速，直到其反電動勢電壓幅值等于直流電源電壓。如果速度超過該點，F(xiàn)ET 中的背體二極管將導(dǎo)通，負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題的方法。
總之，這種 PWM 技術(shù)在需要雙向電機速度控制的應(yīng)用中很受歡迎，但如果電機在您想要減速時自行滑行也沒有關(guān)系。在下一篇博文中，我們將看到僅通過改變其中一個晶體管上的一個 信號，同時我們就可以使用能量再生來使電機減速。
對于象限 1 中的單極性 PWM 操作，當(dāng)我們向 Q4 施加 PWM 信號時，Q1 連續(xù)導(dǎo)通。您可以點擊此處觀看第 1 象限中單極 PWM 操作的動畫 。當(dāng) Q4 導(dǎo)通時，從 V總線創(chuàng)建電流路徑，通過 Q1，通過電機，通過 Q4，并通過地面返回。在此 PWM 狀態(tài)結(jié)束時，Q4 關(guān)閉。由于電機繞組有電感，所以會爭取保持電機電流同向流動。電感器保護它的電流就像母親保護她的孩子一樣。它實際上是在說，“別弄亂我的電流!如果你這樣做，我會產(chǎn)生任何必要的電壓來保持我的電流流動。” 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，電機電流將通過 Q1 而非直流電源返回。當(dāng)您考慮時，您會意識到由于 Q1 持續(xù)開啟，該電路的行為與之前討論的單象限驅(qū)動器完全一樣，但有一個例外……如果您希望電機沿另一個方向旋轉(zhuǎn)，只需一直打開 Q3 并改為 PWM Q2。這導(dǎo)致電機反向運行并產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩的象限 3 運行。您可以通過單擊查看此過程的動畫在這里。
有趣的是，在第一象限和第三象限操作中，無論電流在電機中流向哪個方向，母線電流要么為正要么為零!換句話說，這種 PWM 技術(shù)不能再生能量。這是因為感應(yīng)反激電流被“困”在 H 橋的上半部分，永遠不會流回直流母線。這可能是優(yōu)勢也可能是劣勢，具體取決于您的應(yīng)用。如果您永遠不必擔(dān)心再生能源，那么您就不必在設(shè)計中增加費用來處理它。另一方面，如果你想回收負載能量，那么這種 PWM 技術(shù)對你來說不是一個好的選擇。
這種技術(shù)的另一個優(yōu)點是它在任何給定時間只需要一個 PWM 信號。這意味著與某些其他 PWM 拓撲相比，您可以從一個處理器控制更多電機。此外，在任何給定時間只有一個晶體管在開關(guān)，因此您的開關(guān)損耗最小化。最后，每個 PWM 周期只有一個二極管瞬變事件(當(dāng) Q3 背體二極管導(dǎo)通后 Q4 再次導(dǎo)通時)。因此，與我們之前討論的單象限技術(shù)相比，該技術(shù)不會產(chǎn)生更多的開關(guān)噪聲。
這種技術(shù)的主要缺點是即使你有四個晶體管，你仍然不能在所有四個象限中運行。這就像一輛沒有剎車的汽車!如果你想放慢速度，你有兩種選擇;將腳從油門上抬起并滑行(降低 PWM 占空比)，或者突然將汽車倒車(立即從第一象限過渡到第三象限!)順便說一下，我不建議您嘗試這個，或者您可能會在整個高速公路上留下您的變速箱碎片!后一種情況稱為 PLUGGING。雖然它會導(dǎo)致電機超快減速，但這通常不是一個好主意，因為由此產(chǎn)生的高電流可能會使您的驅(qū)動器部件散落在整個實驗室工作臺上!
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)可能會導(dǎo)致能量再生回到您的直流電源中。當(dāng)負載使電機在任一方向加速時，沒有任何東西可以阻止它失控，因為這種 PWM 技術(shù)無法提供任何制動。電機將繼續(xù)加速，直到其反電動勢電壓幅值等于直流電源電壓。如果速度超過該點，F(xiàn)ET 中的背體二極管將導(dǎo)通，負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題的方法。
總之，這種 PWM 技術(shù)在需要雙向電機速度控制的應(yīng)用中很受歡迎，但如果電機在您想要減速時自行滑行也沒有關(guān)系。在下一篇博文中，我們將看到僅通過改變其中一個晶體管上的一個 信號，同時我們就可以使用能量再生來使電機減速。
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