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2021.03.10 电机

使用PWM输出方式驱动有刷直流电机:PWM驱动时的电流再生方法

有刷直流电机

上一篇文章对有刷直流电机的PWM驱动原理的说明中,介绍了基于电机两端短路的电流再生方法,实际上有刷直流电机的PWM驱动中还有其他电流再生方法,有刷直流电机的PWM驱动中的每种方法都有其应该考虑的事项。

使用PWM输出方式驱动有刷直流电机:电流再生方法

下面是用来说明PWM驱动原理的示意图。其中省略了没必要列出的晶体管。(a)是施加电压时的电流再生,(b)是电机两端短路方法的电流再生。

由于使用了晶体管(在该示例中为MOSFET)来切换H桥,因此作为现实问题,需要将晶体管的导通电阻作为每条路径中的损耗加以考虑。该思路也同样适用于后续的电流再生方法。

除了(b)以外,还有三种电流再生方法。(c)是在施加电压的状态下的只断开Q1(Q2和Q3保持关断,而Q4保持导通)的方法。 
在这种情况下,再生电流经由关断中的Q2的寄生(体)二极管流动,与(b)中相同。此时,路径中不仅包括导通电阻,还包括寄生二极管的正向电压VF。因此,电流会迅速衰减。另外,施加到电机的等效平均电压会损耗VF的量,因此会小于占空比相应的电压。

(d)是关闭所有晶体管的方法。在这种情况下,再生电流经由关断的Q2和Q4的寄生二极管流动。在该路径中,Q2和Q3的两个寄生二极管的VF会成为损耗。

另外,由于电源Ea进入电流路径并使电流沿相反的方向流动,所以再生电流的衰减非常快,并且施加于电机的相对于ON占空比的等效平均电压变得非常低。当以50%占空比驱动时,施加于电机的等效平均电压将接近于零。此时,由于存在二极管,因此当电流变为零时将停止再生,并且没有电流沿相反方向流动。

(e)是使与施加电压时相反的晶体管导通的方法,也就是从Q1和Q4导通、Q2和Q3关断的电压施加状态变为Q1和Q4关断、Q2和Q3导通的状态,即偏置状态。

在这种情况下也同样,电源Ea进入电流路径并使电流反向流动,因此再生电流的衰减非常快,在再生电流经由二极管时,当电流变为零时再生停止,但由于晶体管处于导通状态,故电流将以相反的方向流动。

因此,如果按照与(d)相同的50%占空比进行驱动,则施加于电机的等效平均电压将变为零。在占空比为100%时,施加于电机的等效平均电压最大。在占空比从100%到50%之间,可以与占空比成正比控制从最大到零的施加电压。另外,当占空比从50%到0%时,电流从100%到50%反向流动。该条件下的PWM电压和电流波形如下所示。

关于有刷直流电机的PWM驱动的说明中提到的损耗问题,将在下一篇文章中单独进行介绍。

关键要点:

有刷直流电机的PWM驱动会反复施加电压和电流再生动作。

有刷直流电机的PWM驱动使用H桥的电流再生方法有多种,再生电流路径不同损耗也不同。

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