单极 4 象限 PWM电机系统驱动设计

那么，哪种 PWM 技术最适合您的电机控制应用?到目前为止，我们已经研究了两种电机驱动拓扑结构，它们会在电机上产生单极 PWM 电压波形，但如果您想快速减速，则无法为电机提供任何制动。在这篇博文中，让我们看看第三种单极 PWM 技术，它通过允许能量再生返回到您的电源来提供电机制动。我们称之为“单极 4 象限 PWM”。我们要分析的H-Bridge电路：

与之前的单极拓扑相比，最显着的变化是我们现在以互补模式驱动顶部和底部晶体管。换句话说，每当底部晶体管关闭时，同一支路中的顶部晶体管就会打开，反之亦然。图中未显示从一个晶体管关断到其互补晶体管导通的隐含死区时间。对于大多数功率 FET，死区时间可能在大约 100 纳秒到几乎 1 uS 之间。我见过的最快死区时间是在我们的 DRV-8312 器件上，为 5 nS!由于死区时间会导致与电流过零相关的失真，因此 5 nS 的小死区时间几乎不会导致任何失真。

回到我们上面的电路示例，让我们分析 Fwd/Rev 设置为 1(向前运动)的情况。这意味着 Q1 将持续导通，而 Q3 和 Q4 以互补方式进行 PWM。我们还假设 PWM 占空比高且电机负载轻，这意味着电机速度也将很高并且反电动势极性在电机符号左侧为正。

现在让我们突然降低 PWM 占空比以使电机减速。对于 2 象限 PWM，只要 Q4 关闭，感应反激电流就会在 H 桥的上半部分被捕获，直到它消失。一旦反激电流消失，反电动势信号就会出现在电机端子上。在这种状态下，H-Bridge 对电机来说就像一个高阻抗，没有电流流过。但是对于这种 4 象限拓扑，当 Q4 关闭时，Q3 开启，我们有效地将电机端子短接在一起。由于电机正向旋转(电机左侧的反电动势极性为正)，这最终导致电流在 H 桥的上半部分沿顺时针方向流动。

现在，下一点很重要。当 Q3 现在关断且 Q4 导通时，电感器现在寻找备用路径以保持其电流沿相同方向流动。那条路是什么?事实证明，阻力最小的新路径是通过 Q1 反向流动，作为负电流通过直流电源返回，然后通过 Q4 反向返回。如果您的直流母线具有正电压和负电流，则意味着在该情况下它具有负功率。这个负母线电流会将母线电容器充电到更高的电压，直到感应反激被抑制，或者应用下一个开关状态。

您应该知道，负母线电流的存在本身并不意味着我们正在再生。负母线电流的瞬时值很常见，因为能量会在每个 PWM 周期内在电机电感器和母线电容器之间来回晃动。要确定是否正在发生再生，我们必须查看母线电流的平均值。如果平均值为负，则说明我们有一个长期的能量从负载转移回您的直流电源。如果跟随能量，动能(1/2 质量 x 速度2)将转换为磁能(1/2 L i 2 )，并最终以 1/2 C v 2的形式存储在总线电容器中。

话是好的;图片很棒，但有时，您只需要亲眼看到它就可以了解发生了什么。最好的方法是在实验室工作台上，卷起衬衫袖子，拿起示波器探头，尽情享受吧!然而，理解这个概念的下一个最佳方法是观看模拟。为此，我创建了一个 VisSim 仿真，显示两个具有相同负载的相同电机，提供相同的 PWM 值。但是，一个电机由单极 2 象限 PWM 驱动，另一个由单极 4 象限 PWM 驱动。您可以在此处访问模拟。如果您的计算机上尚未安装 VisSim，也没有问题。您可以在此处从 Visual Solutions 的网站下载 60 天试用版，或在此处下载文件查看器程序。使用试用版，您可以访问所有功能，如果愿意，您甚至可以更改仿真拓扑以测试其他想法。使用查看器，您可以调整我提供调整的所有内容，但您不能更改模拟本身的结构，也不能保存任何更改。

所以继续吧，打开模拟，玩得开心!将 PWM 占空比调整为较大的值，让电机加速。然后迅速将占空比降低至零。电机 1(使用 2 象限 PWM)将缓慢滑行。但是电机 2(使用我们刚刚介绍的 4 象限 PWM)会快速减速。这是因为电机 2 正在发生再生，如其 H 桥上的红色再生灯所示。。

现在试试这个：在 PWM 仍设置为正值的情况下，将负载转矩更改为负值。几乎立即，电机 2 开始再生，如其功率级上的红灯所示。但是，电机 1 无法再生，您可以看到电机加速失控，因为没有制动。最后，当电机反电动势达到电源电压时，您会看到电机 1 的再生灯也亮起。这是因为电机 1 的反电动势电压超过电源电压，导致负电流流入母线。

回到上图，只要电流在分流电阻器中流动，我们就可以看到电机电流。然而，我们目前讨论的所有 PWM 技术都存在停电期，此时电机电流在 H 桥内循环且不流经分流电阻器。此外，当脉冲宽度非常窄时，采样窗口关闭，从而无法获取电流样本。这将我们限制在每个 PWM 周期只能进行一次电流采样，同时也限制了 PWM 占空比。然而，在我们的下一篇博客中，我们将探索双极 PWM 技术，它允许我们以两倍的速度对电流进行采样在大多数情况下，PWM 频率，并且每个 PWM 周期始终至少有一个窗口，该窗口足够宽以获取当前样本，而不管 PWM 占空比值如何。