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使用互补PWM、直通和死区时间的H桥直流电机控制
使用互补PWM、直通和死区时间的H桥直流电机控制
电机控制是几乎所有机电应用中电子设计的一个基本方面。机器人和电动汽车(EV)等领域需要电机的电路和固件控制，以可靠地影响给定设备的运动。
每种类型的电机都有自己的控制要求，需要独特的电路和正确操作的理解。在本文中，我们将了解直流电机控制、H桥电路以及互补PWM等控制技术。
H桥工作原理——什么是H桥电路？
在驱动和控制直流电机时，最基本和最广泛使用的电路是H桥。可以在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，这些开关通常使用围绕直流电机的“H”形拓扑结构的 金属氧化物半导体场效应晶体管 ( MOSFET )实现。
图 1.用于直流电机控制的标准H桥电路
H桥可以成为直流电机控制的有用电路，因为它通过选择性地打开和关闭一系列这些开关来控制电机的方向和速度。
如图2所示，通过在SW2和SW3关闭的情况下打开SW1和SW4，我们可以控制电流沿特定方向流过电机，从而使其沿一个方向转动。
图 2. 有选择地打开和关闭这些开关将控制电机的速度和方向
要以相反的方向转动电机，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MOSFET实现的，如图3所示。
图 3. 使用MOSFET的H桥实现
虽然并非总是如此，但H桥通常设计为将高侧开关（即连接到VDD的FET）实现为PMOS器件。而低侧开关（即，连接到GND的FET）被实现为NMOS器件。
在驱动电机方面，我们要控制的主要两件事是它的速度和方向。为了在实践中做到这一点，标准的做法是使用PWM驱动MOSFET栅极。使用PWM，我们可以通过控制电机的占空比（即开启时间的百分比）来控制电机的速度，这样我们就可以根据需要为电机提供尽可能多或尽可能少的功率。
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，其中多个门由PWM信号驱动，彼此相差180° [视频]，称为互补PWM。
如图4所示，此设置可确保当Q1的栅极为低电平时，Q4的栅极同时为高电平。
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，允许电流正向流过电机。在此期间，Q2和Q3必须打开，这意味着Q2的栅极为高电平，而Q3的栅极为低电平。
电机控制安全：PWM直通
在H桥中使用互补PWM时的一个主要考虑因素是短路的可能性，也称为“击穿”。
如图5所示，如果同一条腿上的两个开关同时打开，H桥配置可能会在电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，可能会发生击穿
这种情况可能非常危险，因为它可能导致晶体管和整个电路过热和损坏。
由于固有器件延迟和非理想因素（例如栅极电容和二极管反向恢复效应），击穿成为基于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/关闭之间有一个小的时间延迟。
由于这种延迟，互补PWM信号可能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。
直流电机控制的PWM死区时间
为了解决由FET非理想情况引起的击穿，标准解决方案是在PWM控制中实施死区时间。
在直流电机控制的情况下，死区时间是在PWM信号的开关边沿之间插入的一小段时间，该信号驱动同一H桥桥臂上的开关（图 6）。
图6.互补PWM信号之间的死区时间。
通过在一个FET关断和另一个FET导通之间留出时间缓冲，死区时间通过确保同一支路上的两个晶体管不会同时导通来防止击穿。
虽然存在死区时间电路，但它通常在固件中实现，其中高级微控制器(MCU)定时器可以在互补信号之间生成所需的死区时间。