【導(dǎo)讀】在幾乎所有機(jī)電應(yīng)用中，電機(jī)控制都是電子設(shè)計的一個基本方面。機(jī)器人和電動汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對電機(jī)進(jìn)行電路和固件控制，以可靠地影響給定設(shè)備的運動。
在幾乎所有機(jī)電應(yīng)用中，電機(jī)控制都是電子設(shè)計的一個基本方面。機(jī)器人和電動汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對電機(jī)進(jìn)行電路和固件控制，以可靠地影響給定設(shè)備的運動。
每種類型的電機(jī)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(jī)控制、H 橋電路和互補(bǔ)PWM等控制技術(shù)。
H 橋工作原理——什么是 H 橋電路？
在驅(qū)動和控制直流電機(jī)時，基本和應(yīng)用廣泛的電路是 H 橋?？梢栽赥I 的數(shù)據(jù)表中看到一個示例。
如圖 1 所示，H 橋由四個開關(guān)組成，通常使用圍繞直流電機(jī)的“H”形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 來實現(xiàn)。
圖 1.用于直流電機(jī)控制的標(biāo)準(zhǔn) H 橋電路
H 橋可以作為直流電機(jī)控制的有用電路，因為它通過有選擇地打開和關(guān)閉一系列這些開關(guān)來控制電機(jī)的方向和速度。
如圖 2 所示，通過在 SW2 和 SW3 關(guān)閉的同時打開 SW1 和 SW4，我們可以控制電流以特定方向流過電機(jī)，從而使其朝一個方向轉(zhuǎn)動。
圖 2. 有選擇地打開和關(guān)閉這些開關(guān)將控制電機(jī)的速度和方向
要以相反的方向轉(zhuǎn)動電機(jī)，我們執(zhí)行相反的操作，讓 SW1 和 SW4 保持關(guān)閉狀態(tài)，同時打開 SW2 和 SW3。
非重疊或互補(bǔ) PWM
實際上，H 橋中的開關(guān)實際上是使用 MOSFET 實現(xiàn)的，如圖 3 所示
圖 3. 使用 MOSFET 的 H 橋?qū)崿F(xiàn)
盡管情況并非總是如此，但H 橋通常設(shè)計為將高側(cè)開關(guān)（即連接到 VDD 的 FET）實現(xiàn)為 PMOS 器件。而低側(cè)開關(guān)（即連接到 GND 的 FET）作為 NMOS 器件實現(xiàn)。
在驅(qū)動電機(jī)時，我們旨在控制的主要兩件事是它的速度和方向。要在實踐中做到這一點，標(biāo)準(zhǔn)做法是使用 PWM 驅(qū)動 MOSFET 柵極。使用 PWM，我們可以通過控制電機(jī)的占空比（即它打開的時間百分比）來控制電機(jī)的速度，這樣我們就可以根據(jù)需要為電機(jī)提供盡可能多或盡可能少的功率。
在圖 3 中進(jìn)一步顯示，Q1 和 Q4 的柵極以及 Q2 和 Q3 的柵極由彼此互補(bǔ)的信號驅(qū)動。這種控制方案，其中多個門由 PWM 信號 180° 異相 [視頻] 彼此驅(qū)動，被稱為互補(bǔ) PWM。
如圖 4 所示，此設(shè)置可確保當(dāng) Q1 的柵極為低電平時，Q4 的柵極同時為高電平。
圖 4.互補(bǔ) PWM 信號
由于 Q1 是 PMOS，Q4 是 NMOS，該動作同時關(guān)閉開關(guān) Q1 和 Q4，允許電流正向流過電機(jī)。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(jī)控制安全：PWM 直通
在 H 橋中使用互補(bǔ) PWM 時的一個主要考慮因素是短路的可能性，也稱為“直通”。
如圖 5 所示，如果同一橋臂上的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，則 H 橋配置可能會在電源和地之間造成直接短路。
圖 5.如果同一支路上的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，則可能會發(fā)生擊穿
這種情況可能非常危險，因為它可能導(dǎo)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情況（例如柵極電容和二極管反向恢復(fù)效應(yīng)），直通成為基于 FET 的 H 橋的主要考慮因素。這些影響的結(jié)果是 MOSFET 不是理想的開關(guān)，并且在柵極控制信號打開/關(guān)閉與 MOSFET 本身打開/關(guān)閉之間存在小的時間延遲。
由于這種延遲，互補(bǔ) PWM 信號可能會意外導(dǎo)致同一橋臂上的 H 橋 MOSFET 同時導(dǎo)通，從而導(dǎo)致?lián)舸?nbsp;
用于直流電機(jī)控制的 PWM 死區(qū)時間
為了解決由 FET 非理想情況引起的直通，標(biāo)準(zhǔn)解決方案是在 PWM 控制中實施死區(qū)時間。
在直流電機(jī)控制的背景下，死區(qū)時間是在驅(qū)動同一 H 橋橋臂上的開關(guān)的 PWM 信號的開關(guān)邊沿之間插入的一小段時間（圖 6）。
圖 6.互補(bǔ) PWM 信號之間的死區(qū)時間。圖片由Widodo 等人提供
通過在一個 FET 關(guān)閉和另一個 FET 導(dǎo)通之間留出時間緩沖，死區(qū)時間可確保同一支路上的兩個晶體管不會同時導(dǎo)通，從而防止擊穿。
雖然存在死區(qū)時間電路，但它通常在固件中實現(xiàn)，其中微控制器 (MCU)定時器可以在互補(bǔ)信號之間生成所需的死區(qū)時間。
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