使用互補(bǔ)PWM、擊穿和死區(qū)時(shí)間的 H 橋直流電機(jī)控制

在幾乎所有機(jī)電應(yīng)用中，電機(jī)控制都是電子設(shè)計(jì)的一個(gè)基本方面。機(jī)器人和電動(dòng)汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對(duì)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(yùn)動(dòng)。

在幾乎所有機(jī)電應(yīng)用中，電機(jī)控制都是電子設(shè)計(jì)的一個(gè)基本方面。機(jī)器人和電動(dòng)汽車 (EV) 等領(lǐng)域需要對(duì)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(yùn)動(dòng)。
每種類型的電機(jī)都有自己的控制要求，需要獨(dú)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(dòng)和控制直流電機(jī)時(shí)，基本和應(yīng)用廣泛的電路是 H 橋。可以在TI 的數(shù)據(jù)表中看到一個(gè)示例。
如圖 1 所示，H 橋由四個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 來(lái)實(shí)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?yàn)樗ㄟ^(guò)有選擇地打開和關(guān)閉一系列這些開關(guān)來(lái)控制電機(jī)的方向和速度。
如圖 2 所示，通過(guò)在 SW2 和 SW3 關(guān)閉的同時(shí)打開 SW1 和 SW4，我們可以控制電流以特定方向流過(guò)電機(jī)，從而使其朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(dòng)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(shí)打開 SW2 和 SW3。
非重疊或互補(bǔ) PWM
實(shí)際上，H 橋中的開關(guān)實(shí)際上是使用 MOSFET 實(shí)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(jì)為將高側(cè)開關(guān)（即連接到 VDD 的 FET）實(shí)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(shí)現(xiàn)。
在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，我們旨在控制的主要兩件事是它的速度和方向。要在實(shí)踐中做到這一點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)做法是使用 PWM 驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極。使用 PWM，我們可以通過(guò)控制電機(jī)的占空比（即它打開的時(shí)間百分比）來(lái)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(hào)驅(qū)動(dòng)。這種控制方案，其中多個(gè)門由 PWM 信號(hào) 180° 異相 [視頻] 彼此驅(qū)動(dòng)，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(shí)，Q4 的柵極同時(shí)為高電平。

圖 4.互補(bǔ) PWM 信號(hào)

由于 Q1 是 PMOS，Q4 是 NMOS，該動(dòng)作同時(shí)關(guān)閉開關(guān) Q1 和 Q4，允許電流正向流過(guò)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(shí)的一個(gè)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(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，則 H 橋配置可能會(huì)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(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，則可能會(huì)發(fā)生擊穿

這種情況可能非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致晶體管和整個(gè)電路過(guò)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(hào)打開/關(guān)閉與 MOSFET 本身打開/關(guān)閉之間存在小的時(shí)間延遲。
由于這種延遲，互補(bǔ) PWM 信號(hào)可能會(huì)意外導(dǎo)致同一橋臂上的 H 橋 MOSFET 同時(shí)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(shí)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(shí)施死區(qū)時(shí)間。
在直流電機(jī)控制的背景下，死區(qū)時(shí)間是在驅(qū)動(dòng)同一 H 橋橋臂上的開關(guān)的 PWM 信號(hào)的開關(guān)邊沿之間插入的一小段時(shí)間（圖 6）。

圖 6.互補(bǔ) PWM 信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間。圖片由Widodo 等人提供

通過(guò)在一個(gè) FET 關(guān)閉和另一個(gè) FET 導(dǎo)通之間留出時(shí)間緩沖，死區(qū)時(shí)間可確保同一支路上的兩個(gè)晶體管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，從而防止擊穿。
雖然存在死區(qū)時(shí)間電路，但它通常在固件中實(shí)現(xiàn)，其中微控制器 (MCU)定時(shí)器可以在互補(bǔ)信號(hào)之間生成所需的死區(qū)時(shí)間。