单极 4 象限 PWM 技术：最接近最佳的应用方案

那么，哪种 PWM 技术最适合您的电机控制应用?到目前为止，您可能已经猜到没有“一种”PWM 技术对所有应用都是最佳的。但是我们今天要讨论的技术非常接近。它被称为单极 4 象限 PWM 技术(形式 II)。

与我在上一篇文章中讨论的双极 PWM 技术一样，没有正向/反向信号。方向信息在 PWM 输入电平内编码，可在 +1 和 -1 之间转换。模拟比较器用于将输入电压电平与三角载波信号进行比较，以生成“L”和“R”PWM 信号。在使用数字 PWM 外围设备的微控制器中，比较是在计数器的输出和表示所需脉冲宽度的数字字之间进行数字比较的。

由于 H 桥的每一半都以互补方式驱动，因此我们必须在顶部和底部 PWM 信号之间包括死区时间。假设死区时间由 PWM 模块内部提供，该技术需要四个处理器上的 PWM 引脚!尽管该技术对 PWM 信号有着永不满足的需求，但它具有先前单极拓扑的所有优点，加上在大多数情况下可以证明其选择的独特优势;…它使电机看到的 PWM 频率加倍!我们可以通过波形的谐波分解来从数学上显示这种效应，但通过简单地研究上面的波形更容易理解这种效应。假设“L”波形出现在H桥的左半边，“R”波形出现在H桥的右半边，那么电机就会看出区别这两个波形之间。如果从“L”波形中减去“R”波形，就会得到蓝色波形，它的 PWM 频率显然是红色或绿色波形的两倍。这通常是一个理想的特性，因为电机的 L/R 时间常数在滤除载波谐波方面的效率是两倍。然而，晶体管仍将以较低的载波频率开关，这也有利于 H 桥中的开关损耗。这是工程学中难得的可以吃蛋糕的时刻之一!:-) 要观看此 PWM 技术在象限 1 中运行的动画，请单击此处的超链接。

为了达到PWM倍频效果，有两个要求必须具备：

1. H 桥每一侧的两个 PWM 信号必须居中对齐。注意上图中的“L”和“R”信号。两个信号之间的高端脉冲的中间对齐，如垂直虚线所示。同样，低侧脉冲的中间也对齐。通过在大多数电机控制处理器上选择正确的 PWM 模块工作模式，很容易产生这种情况。

2. 左右 PWM 阈值必须始终相等且极性相反。例如，如果“左 PWM”信号是正弦波，那么“右 PWM”信号必须是偏移 180 度的同一个正弦波。当我们将这种技术扩展到三相系统时，这种区别将变得很重要。

对于之前文章中讨论的双极 PWM，H 桥内没有再循环电流，电机电流始终流经分流电阻器。但是，由于 H 桥内的再循环电流，当今的技术(与所有单极 PWM 技术一样)在使用单个分流电阻器时，在 PWM 周期的某些部分会出现中断间隔。此外，如果我们使用具有有限带宽和转换速率规格的分流信号放大器，我们必须限制 PWM 占空比的允许范围，以防止电阻器上的电流脉冲太窄而无法被放大器处理。但是，如果我们使用如上所示的两个电阻器，则无论占空比值如何，总有机会在 PWM 周期内读取至少一个电阻器上的电机电流。实际上，我们现在可以看到电机电流，即使它在 H 桥的下半部分再循环!然而，这种方法的缺点相当明显，包括用于电流检测的组件数量增加一倍，分流电阻器消耗的功率损耗增加一倍。

可以在此处找到将这种 PWM 技术与经典双极 PWM 技术进行比较的 VisSim 模拟。同样，如果您的计算机上没有安装 VisSim，您可以在此处的链接下载并安装免费的 VisSim 文件查看器。继续并打开文件并单击绿色的运行箭头。更改 PWM 占空比滑块并将单极技术的电流纹波与双极技术的电流纹波进行比较，尤其是在较低的占空比值下。较低的电流纹波导致电机发热较少，代表了该技术的主要优势。

到现在为止，我们只讨论了 PWM 在直流电机上的应用。但是交流电机呢?在本系列的下一篇博文中，我们会将这种单极 PWM 技术扩展到多相应用，并以对再生和堵塞的进一步研究作为结尾。