Gleichstrommotor mit H-Brücke antreiben (H-Brücke schaltet zu langsam ab und Problem mit Stromüberwachung)

Ich habe zwei Fragen zu meiner Schaltung, die einen Gleichstrommotor mit H-Brücke antreibt. Das Bild unten zeigt mein Design und wie ich es mit Signalen ansteuere.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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Wenn ich zum Beispiel den Motor vorwärts drehen lasse, gebe ich das PWM-Signal 'S1' und 'S4' immer 1. Dann finde ich ein Problem, dass das Signal 'T1' wie im Bild oben angezeigt wird, was bedeutet, dass die H-Brücke ausgeschaltet wird zwei langsam! ( Was zu Problemen führt, wenn ich den Motor langsam bewegen möchte ). Ich habe den Wert von R1 und R2 geändert, um U1B und U2B so schnell wie möglich auszuschalten, aber es ändert sich nicht viel für das Signal von 'T1'. Dann analysiere ich die Induktions-EMK. Vielleicht wie das Bild unten,Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Könnten Sie mir also einen Rat geben, um das Signal von 'T1' zu verbessern, damit sich die H-Brücke schnell ausschaltet?

Außerdem habe ich ein weiteres Problem mit dem Strommonitor und habe das ähnliche Signal von 'T2' in Bild 2 gezeichnet (manchmal hat es eine positive Gratspannung, manchmal hat es eine negative Gratspannung, wie eine diskontinuierliche Sinuskurve). Irgendwelche Ratschläge zur Verbesserung meiner Stromüberwachungsschaltung? (Ich füge einen Komparator nach 'T2' hinzu, aber ich möchte das Signal von 'T2' verbessern). Danke für Ihren Vorschlag!

Hier noch ein Bild zur Beschreibung meines Problems. Ich möchte die Zeit des roten Rechtecks ​​kurz machen.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Antworten (2)

Um einen Leistungs-MOSFET zu schalten, müssen Sie eine beträchtliche Ladung durch das Gate und die Source bewegen. Das Datenblatt gibt so etwas wie "Total Gate Charge" an. Um all diese Ladung in kurzer Zeit zu bewegen, benötigen Sie einen hohen Strom. Und in Ihrer Schaltung können Sie keinen hohen Strom haben, da der Strom durch das Gate letztendlich durch R1 und R3 begrenzt wird.

Mit anderen Worten, das Problem besteht darin, dass sich U1B bei Ihrem Design erst einige Zeit nach dem Absenken von S1 vollständig ausschaltet. Und wenn es sich ausschaltet, tut es dies langsam, weshalb Sie sehen, wie die Spannung an T1 langsam abfällt. Siehe Was ist die MOSFET-Gate-Treiberfähigkeit und warum ist sie mir wichtig?

Um dieses Problem zu reduzieren, müssen Sie den Strom erhöhen, den Ihr Gate-Treiber liefern und aufnehmen kann. Eine vereinfachte Lösung besteht darin, ein Paar Emitterfolger wie folgt hinzuzufügen :

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Sie können mit einem diskreten Ansatz wie dem folgenden schicker werden. Zusätzlich zu Emitterfolgern zum Erhöhen des Stromantriebs verwendet es eine Klemme (D13, D23), um die Speicherverzögerung der BJTs Q11 und Q21 zu reduzieren. Sie können mehr darüber in einer anderen Antwort lesen .

Halbbrücke

Oder Sie kaufen einfach einen integrierten MOSFET-Gate-Treiber und machen Schluss damit.

Vielen Dank für Ihren Vorschlag, der Push-Pull-Treiber für MOSFET ist eine bessere Lösung, aber jetzt neige ich dazu, meine Schaltung zu aktualisieren und das Gesamtdesign für das nächste Mal zu ändern. Jetzt ist mein Problem, dass nach dem Ausschalten des U1B die Spannung am Punkt 'T1' von Vcc auf Null abfällt, dies hat lange gedauert (siehe Bild in meiner Frage), wie kann ich diese Zeit reduzieren ? Danke!
@Francisco Die Vorschläge hier sind Lösungen für genau dieses Problem. Damit sich die Spannung an T1 schneller ändert, müssen Sie U1B schneller ein- und ausschalten, und dazu benötigen Sie einen besseren Gate-Treiber.
Nun, Ihre Antwort hat mir sehr geholfen, aber ich war verwirrt. Ich meine, wenn ich die PWM mit 10 kHz ansteuere, beträgt die Zeit zum Ausschalten von U1B, die ich in Wirklichkeit teste, etwa 2 us, was ich akzeptieren kann. Aber nach dem Ausschalten des U1B sinkt die Spannung von 'T1' von Vcc auf Null, diese Zeit ist mir zu lang (siehe Bild 2 in meiner Frage), wodurch sich der Motor noch dreht.
@Francisco Wie stellen Sie fest, dass U1B in 2us abschaltet? Bist du sicher, dass das wirklich passiert?
Ich messe sowohl die Spannung von Pin4 von U1B als auch die Spannung von 'T1'. Die Spannung von Pin 4 von U1B geht für etwa 2 us von etwa Null auf Vcc. Nach dem Ausschalten von U1B beginnt die Spannung von 'T1' von etwa Vcc auf Null zu sinken, was jedoch lange Zeit gekostet hat.
Ich habe meiner Frage ein weiteres Bild (das letzte Bild) hinzugefügt. Das heißt, wenn S1 von 1 auf 0 geht, schaltet U1B nach mehreren us (wie 2 us) ab, dann beginnt die Spannung von 'T1' zu sinken, aber das dauert lange.
@Francisco Ich verstehe. Ich glaube trotzdem, dass ich Ihre Frage nicht falsch verstanden habe, und die Lösung, die ich hier vorstelle, ist die richtige. Ich habe die Erklärung in den Absätzen etwas erweitert. Macht es jetzt Sinn?
Vielen Dank für Ihre Geduld, ich werde meine Schaltung anpassen und erneut testen. Durch deine Antwort lerne ich viel, danke!

Wenn Sie möchten, dass sich die High-Side-Fets schneller ausschalten, verwenden Sie etwas Besseres als einen 2K-Widerstand als Pull-up. Verwenden Sie sogar 200 Ohm. Die Gate-Kapazität multipliziert mit Ihrem Pull-up-Widerstand gibt Ihnen die Ballpark-Zeitkonstante für das Laden oder Entladen des Gates. Multiplizieren Sie dies mit 3, um die ungefähre Zeit für die vollständige Ladung des Kondensators zu erhalten, der sich vom "EIN"-Zustand erholt, um den FET auszuschalten.

Ich habe mir das Datenblatt des FDS8958 (das die von Ihnen in dem winzigen schematischen Bild verwendeten Teilenummern schwer zu lesen war) und die typische Gate-Kapazität im Bereich von 300 bis 700 pF für die N- oder P-Fet-Gates angesehen. Nehmen wir den schlimmsten Fall von 700 pF, die Zeitkonstante ist:

700 pF * 2 kOhm = 1,4 Mikrosekunden.

Die vollständige Entlade-/Ladezeit beträgt etwa das Dreifache davon, wodurch die Abschaltdauer etwa 4,2 Mikrosekunden beträgt. Das Datenblatt behauptet, dass diese unter den folgenden Bedingungen für den PFET Q2 so schnell wie zehn Nanosekunden abschalten können:

VDD = -10 V, ID = -1 A, VGS = -10 V, RGEN = 6 Ohm

Der Punkt ist also, dass Sie Ihren High-Side-FET zwingen, ~ 200-mal langsamer als seine beste Leistung auszuschalten. Es ist ein Hochgeschwindigkeits-FET, der jedoch mit Widerstand verkrüppelt ist.

Wenn Sie dies bei 100 kHz schalten (nicht sicher, warum Sie dies tun sollten, sollte die Leistungsumschaltung nur über dem menschlichen Hörbereich von höchstens 22 + kHz liegen und wenn möglich niedriger, um den Schaltverlust zu reduzieren), dann bei jeweils 50 % Einschaltdauer hoch und niedrig Pegel dauert nur 5 Mikrosekunden. Der Ausschaltzyklus von 4,2 Mikrosekunden bedeutet, dass Ihre Ausschaltkurve 85 % des Ausschaltzyklus verbraucht, was schrecklich ist - Ihr FET würde sich fast nie richtig ausschalten. Dies kann Querleitungen verursachen und Ihre H-Brücke ruinieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Ihr Highside-FET überhaupt nicht sehr schnell abschaltet. Sie haben eine große Erdungsstärke, also schaltet es sich gut und schnell ein, aber der 2K-Widerstands-Pull-up tötet seine Leistung und verursacht die Anomalien, die Sie sehen. Die Lösung besteht entweder darin, einen viel niedrigeren (200 Ohm wäre schön) Pull-up-Widerstand zu setzen oder sogar aktive Treiberschaltungen zu verwenden, wie sie in integrierten FET-Gate-Treiber-ICs verwendet werden. Dies können nur einfache Totempfahl-Gegentakt-Treiberschaltungen sein, von denen Sie bereits die Hälfte für die Erdung des PFET-Gates eingerichtet haben. Fügen Sie also einfach einen BJT für den High-Side-Gate-Treiber hinzu. Die einfachste Lösung ist jedoch der Gate-Pull-Up-Widerstand. Viel Glück!

BEARBEITEN:

Was den Strommonitor für das Signal am Knoten T2 betrifft, haben Sie hier eine bidirektionale Strommessung am Laufen? Denken Sie daran, dass der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt, wenn die Motorpolarität umgekehrt wird, ein standardmäßiger Single-Ended-ADC/Strom-Shunt-Monitor möglicherweise nicht richtig damit umgeht. Sie können einen Eingangs-/Ausgangs-Operationsverstärker mit doppelter Versorgung und voller Schiene ausprobieren, wobei der Ausgang eine DC-Vorspannung von VCC/2 hat, um Ihnen eine bidirektionale Strommessung zu geben.

Danke für Ihren Vorschlag, die Zeit zum Ausschalten von U1B beträgt in Wirklichkeit etwa 2 us, was für mich jetzt akzeptabel sein kann. Aber nach dem Ausschalten des U1B sinkt die Spannung am Startpunkt 'T1' von Vcc auf Null, dies hat lange gedauert (siehe Bild in meiner Frage). Wie kann ich diese Zeit reduzieren? Danke!
@Francisco Die Messung an T1 ist nichts, worüber Sie sich Sorgen machen sollten - das ist die Spannung, die sich in der Induktivität / den Wicklungen des Motors aufbaut. Ein Motor verhält sich wie ein Integrator mit gepulsten Spannungen (wie Sie es tun) und akkumuliert Spannung, während ein Impuls hoch ist, und fällt ab / verliert Spannung, während der Impuls niedrig ist. Ich denke, Ihr Low-Side-FET U1A schaltet sich in Verbindung mit dem High-Side-FET U1B nicht schnell genug aus. Verwenden Sie auf keinen Fall den Pin des Motors als Maß - das ist eine Induktivität, die sich wie eine Induktivität mit gepulsten Spannungen verhält. Es behält die magnetische Ladung, auch wenn U1B ausgeschaltet ist.
Ja, der Low-Side-FET U1A schaltet sich nicht schnell genug aus, weil ich den Kondensator (C2 und C3, 2,2 nF) hinzugefügt habe, aber in meinem Design, wenn ich den Motor in eine Richtung drehen lasse, lasse ich die Low-Seite ( U1A) immer einschalten und die High-Side (U1B) mit PWM fahren lassen. Darüber hinaus verhindert das Design von C2 und C3 den Spannungsimpuls von Cgd des Low-Side-FET.
Ich habe eine Frage, die, wie Sie sagen, "ein Motor wie ein Integrator mit gepulsten Spannungen wirkt (wie Sie es tun) und Spannung akkumuliert, während ein Impuls hoch ist, und Spannung abfällt / verliert, während der Impuls niedrig ist." Wenn der Impuls niedrig ist, fällt der Motor ab / verliert Spannung, während dieser Zeit dreht sich der Motor noch?
@Francisco ja, es dauert einige Zeit, bis der Motor langsamer wird (mechanische Trägheit) und sich die magnetische Energie entlädt (in den Wicklungen). Da der Motor als Induktor fungiert, können Sie seine Spannung und / oder seinen Strom nicht sofort ändern, und die dafür benötigte Zeit hängt vom Motor ab.
Gleichstrommotor mit H-Brücke antreiben (H-Brücke schaltet zu langsam ab und Problem mit Stromüberwachung)
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