如何正确的使用双极PWM 技术来驱动我们的电机系统

那么，哪种 PWM 技术最适合您的电机控制应用?到目前为止，我们已经研究了三种不同的 PWM 技术。有些可以将能量再生回直流电源，有些则不能。但它们都有一个共同特征：单极电压波形。换句话说，对于任何给定的 PWM 周期，电机电压波形在 Vbus 和地之间或 –Vbus 和地之间转换。在这篇文章中，我们将研究双极PWM 技术的主张。对于每个 PWM 周期，电机电压波形在 Vbus 和 –Vbus 之间转换，产生的电机电压波形幅度是单极 PWM 的两倍。为此，我们将连接 H 桥。

我们不再有正向/反向信号的事实怎么样。对于双极性 PWM，正向和反向信息编码在 PWM 信号本身中。假设没有负载，占空比超过 50% 的 PWM 值会导致正向运动，占空比低于 50% 的值会导致反向运动。对于那里的机械工程师来说，这在电气上相当于静液压无级变速器 (CVT)。有了这样的系统，您就没有单独的前进档和倒档。您只需移动摇杆即可同时控制速度和方向，中间位置对应零速。

双极 PWM 技术本质上是一种四象限技术。只要施加的平均电机电压与电机的反电动势电压具有相同的极性，并且幅度大于反电动势，则电机将以电动模式运行。您可以单击此处观看使用双极 PWM 的象限 1 运行模拟。但是，如果施加的平均电机电压与反电动势的极性相同，但其幅值小于反电动势，则电机将以发电模式运行。您可以单击此处观看双极 PWM 的象限 4 运行模拟。

双极 PWM 技术的另一个优点是它只需要来自处理器的一个 PWM 信号(如果死区时间是在 PWM 模块本身内生成的，则需要两个)。假设死区时间由 FET 栅极驱动器在外部提供，这意味着在具有六个独立 PWM 的处理器上可以使用双极 PWM 驱动多达六个直流电机!

但也许双极 PWM 的最大优势在于，无论 PWM 信号处于何种状态，电机电流始终流过单个分流电阻器。因此，既然我们可以持续查看电机电流，那么问题就变成了，“什么时候采样电流波形?虽然我打算在以后的文章中更详细地处理电流采样，但让我在这里简要介绍一下。在大多数情况下，您希望获得平均值电机电流作为时间的函数。但问题是电流波形上对应于平均电流值的点将出现在 PWM 周期内的不同时间，具体取决于占空比是多少。因此，我们要么必须使用定时器在 PWM 波形内的不同时间触发 ADC，具体取决于命令的占空比，要么……

我们可以使用中心对齐的PWM。在大多数情况下，我们选择使用中心对齐的 PWM，因为两个独立的 PWM 信号之间存在谐波相互作用。但在这种情况下，我们只有一个 PWM 信号。那么为什么使用中心对齐的 PWM 有帮助呢?在这种情况下，它是如何中心对齐的 PWM 在 PWM 模块中创建，在应用于双极 PWM 时具有独特的优势。参考下图，可以使用三角计数器波形生成中心对齐的 PWM，其中计数器向上计数到最大模值，然后翻转并向下计数到最小模值，依此类推。随着调制电压的变化，PWM 脉冲宽度也发生变化，使得载波波峰和波谷分别出现在低脉冲宽度和高脉冲宽度的中心。如果我们忽略死区时间引起的任何延迟，我们会看到电流的平均值也在载波到达峰值或谷值时出现!很整洁吧?在我们的 C2000 处理器上使用的 PWM 模块上，ADC 触发器可以在计数器峰值和谷值处生成，然后可用于在电流波形等于其平均值时对电流进行采样。事实上，使用双极 PWM，您有两次机会在一个 PWM 周期内对电机电流进行采样，这使您可以根据需要以两倍于 PWM 的频率运行数字电流环路。

重建电机电流波形时出现的另一个问题是，对于非常窄的脉冲宽度，分流信号仅在非常短的时间内反映电机电流，并且可能太短而无法获得可靠的读数。但是，对于双极性 PWM，如果其中一个 PWM 状态的脉冲宽度太短，您可以简单地切换到另一个 PWM 状态，其中分流信号会相应地变长!因此，您始终可以保证在每个 PWM 周期内至少有一个间隔(无论占空比值如何)，其中分流信号宽度足够宽，可以轻松方便地准确读取电机电流。

然而，双极 PWM 技术确实存在一个值得注意的缺点：与单极 PWM 技术相比，电机电压波形包含更多的谐波成分。下图比较了单极性和双极性 PWM 电压波形(减去直流分量)的归一化 RMS 内容，作为从 -1 到 +1 扫描 PWM 占空比的函数。这些额外的谐波不仅会导致更高的电流纹波，还会导致电机额外发热。这就是为什么双极 PWM 技术通常仅限于具有高电气时间常数的电机，可以更好地滤除这些谐波。如果电机的电气时间常数不高，则必须经常提高 PWM 频率以减少电流纹波。然而，这会增加 H 桥中的开关损耗，

然而，在某些应用中，即使是这种缺点也可以转化为优于单极 PWM 的优点。有时您需要非常快速地调整电机电流(例如步进电机上的高频微步)。事实上，某些应用会在电流波形上需要快速转换电流的特定点从单极 PWM 过渡到双极 PWM。

可在此处找到 VisSim 仿真，该仿真比较了以相同负载运行的相同电机上的单极和双极 PWM 。我鼓励你玩这个模拟，看看你是否可以凭经验验证上图。在我们的下一篇文章中，我们将探索另一种单极 PWM 技术，该技术实际上可以使电机看到的 PWM 频率加倍，同时仍以常规 PWM 频率切换晶体管。它还提供了一个了解标准三相正弦 PWM 工作原理的跳板。