如何使用 H 桥配置来创建单极二象限驱动器

那么，哪种 PWM 技术最适合您的电机控制应用?在之前的文章中，我们研究了单象限 PWM 技术，它非常适合成本极其敏感的电机控制应用，在这些应用中，您希望通过改变 PWM 信号的占空比来控制电机的速度。但是电机只能在一个方向上旋转，并在同一方向上产生扭矩。我们还介绍了“H 桥”作为研究其他 PWM 拓扑的跳板。在这篇文章中，让我们来看看如何使用 H 桥构建双向速度控制功率级。特别是，我们将构建一个2 象限驱动器因为它可以产生具有正扭矩的正向运动(第 1 象限)，或产生具有负扭矩的反向运动(第 3 象限)。我们将再次选择直流电机进行讨论，因为使用直流电机更容易理解这些概念。

对于象限 1 中的单极性 PWM 操作，当我们向 Q4 施加 PWM 信号时，Q1 连续导通。您可以点击此处观看第 1 象限中单极 PWM 操作的动画 。当 Q4 导通时，从 V总线创建电流路径，通过 Q1，通过电机，通过 Q4，并通过地面返回。在此 PWM 状态结束时，Q4 关闭。由于电机绕组有电感，所以会争取保持电机电流同向流动。电感器保护它的电流就像母亲保护她的孩子一样。它实际上是在说，“别弄乱我的电流!如果你这样做，我会产生任何必要的电压来保持我的电流流动。” 结果，电感器迫使 Q3 的背体二极管导通。但由于 Q1 始终导通，电机电流将通过 Q1 而非直流电源返回。当您考虑时，您会意识到由于 Q1 持续开启，该电路的行为与之前讨论的单象限驱动器完全一样，但有一个例外……如果您希望电机沿另一个方向旋转，只需一直打开 Q3 并改为 PWM Q2。这导致电机反向运行并产生负转矩的象限 3 运行。您可以通过单击查看此过程的动画在这里。

有趣的是，在第一象限和第三象限操作中，无论电流在电机中流向哪个方向，母线电流要么为正要么为零!换句话说，这种 PWM 技术不能再生能量。这是因为感应反激电流被“困”在 H 桥的上半部分，永远不会流回直流母线。这可能是优势也可能是劣势，具体取决于您的应用。如果您永远不必担心再生能源，那么您就不必在设计中增加费用来处理它。另一方面，如果你想回收负载能量，那么这种 PWM 技术对你来说不是一个好的选择。

这种技术的另一个优点是它在任何给定时间只需要一个 PWM 信号。这意味着与某些其他 PWM 拓扑相比，您可以从一个处理器控制更多电机。此外，在任何给定时间只有一个晶体管在开关，因此您的开关损耗最小化。最后，每个 PWM 周期只有一个二极管瞬变事件(当 Q3 背体二极管导通后 Q4 再次导通时)。因此，与我们之前讨论的单象限技术相比，该技术不会产生更多的开关噪声。

这种技术的主要缺点是即使你有四个晶体管，你仍然不能在所有四个象限中运行。这就像一辆没有刹车的汽车!如果你想放慢速度，你有两种选择;将脚从油门上抬起并滑行(降低 PWM 占空比)，或者突然将汽车倒车(立即从第一象限过渡到第三象限!)顺便说一下，我不建议您尝试这个，或者您可能会在整个高速公路上留下您的变速箱碎片!后一种情况称为 PLUGGING。虽然它会导致电机超快减速，但这通常不是一个好主意，因为由此产生的高电流可能会使您的驱动器部件散落在整个实验室工作台上!

您应该知道，在一种情况下，这种 PWM 技术(甚至是上一篇文章中的单象限电路)可能会导致能量再生回到您的直流电源中。当负载使电机在任一方向加速时，没有任何东西可以阻止它失控，因为这种 PWM 技术无法提供任何制动。电机将继续加速，直到其反电动势电压幅值等于直流电源电压。如果速度超过该点，FET 中的背体二极管将导通，负电流将流入直流母线。我们将在以后的文章中讨论处理此问题的方法。

总之，这种 PWM 技术在需要双向电机速度控制的应用中很受欢迎，但如果电机在您想要减速时自行滑行也没有关系。在下一篇博文中，我们将看到仅通过改变其中一个晶体管上的一个 信号，同时我们就可以使用能量再生来使电机减速。