Wenn Sie die H-Brücke so betreiben, wie Sie es beschreiben, wird Ihr Motor umkehren. Der vernünftige Ansatz besteht darin, eine Hälfte der H-Brücke für PWM und die andere Hälfte mit Logikpegeln zu verwenden, die entweder den oberen oder den unteren MOSFET für die Dauer der Drehung in die gewünschte Richtung einschalten.

In meiner Unschuld zu diesem Thema der PWM-Schaltung habe ich diese Frage (vor einigen Jahren) aufgeworfen, die Sie möglicherweise lesenswert finden. Möchte man trotzdem volle PWM auf beiden Hälften haben, muss man bedenken, dass das 50% PWM Szenario die „Motor-Stopp“-Situation ist.

OK, ich denke, bei dieser Frage gibt es verschiedene Dinge zu beachten. Ich versuche, sie einzeln abzudecken.

Gemeinsames Schalten beider Beine mit der gleichen PWM

Dies war Ihr erster Ansatz, bei dem entweder Q1&Q4 oder Q2&Q3 leiten (untere Bilder in der Frage). Um fair zu sein, ist dies nicht 100% korrekt, kann aber vorerst als gültige Vereinfachung verwendet werden.

Ihr Motor (oder was auch immer Sie an den Ausgang stellen) muss induktive Eigenschaften haben, damit alles funktioniert. Dadurch kann der Strom während einer Phase ansteigen und während der anderen Phase schrumpfen. Ihre H-Brücke kann alle 4 Quadranten erreichen (Spannung und Strom in beide Richtungen). Nach dieser Definition müssen Sie also den durch Ihren Motor fließenden Strom mit einem angemessenen PWM-Tastverhältnis steuern. Wenn Ihre Schaltfrequenz groß genug ist, ist die Stromwelligkeit klein genug, um im Vergleich zum durchschnittlichen Strom durch Ihren Motor ignoriert zu werden.

Der Nachteil dieser Technik ist, dass Ihr Motor, wie Sie bereits gesehen haben, umgekehrt polarisiert wird. Aber das ist kein Energieproblem in dem Sinne, dass Sie Energie verschwenden! Wenn Sie die Polarität umkehren, fließt der Strom weiter in die gleiche Richtung, da die Induktivität keine unstetige Änderung des Stroms zulässt. Jetzt arbeitet Ihr Motor als Generator und speist Energie zurück in die Stromversorgung (normalerweise in einige Kondensatoren). Dies kann problematisch werden, wenn Ihr Kondensator zu klein ist. Dann könnte die Spannung über das gewünschte Niveau ansteigen und andere Teile beschädigen.

Der Vorteil auf der anderen Seite ist, dass die Spannungen sowohl am Eingang als auch am Ausgang genau das benötigte Tastverhältnis vorschreiben: Sie brauchen$\tau =\frac12 + \frac{u_o}{2u_i}$mit$u_o$die Ausgangsspannung u$u_i$die Eingangsspannung. Um diese Gleichung zu erhalten, müssen Sie die idealisierten Differentialgleichungen lösen. Ich habe das für dich getan ;-). Sie haben also eine Gleichung, um das gesamte Ausgangsspannungsintervall zu erreichen$[-u_i,u_i]$.

Schalten von nur einem Bein

Ein anderer Ansatz besteht darin, eines der Beine festzuhalten und mit dem anderen zu spielen. Sie würden also Q4 aktiv halten und nur Q1 / Q2 abwechselnd mit Ihrer PWM schalten. Dies ist so zu sehen, als ob der Motor auf der rechten Seite auf 0 V fixiert wäre.

Randbemerkung: Jetzt haben Sie eine Halbbrücke auf der linken Seite, die schaltet. Dies ist nur ein 2-Quadranten-Konverter. Sie können Ihren Motor entweder beschleunigen oder als Generator verwenden. Aber all dies ist nur in einer bestimmten Richtung möglich und nicht mehr beliebig.

Wenn Sie Q1 einschalten, fließt der Strom durch Q1. Wenn Sie es ausschalten, über D2 (oder Q2, falls aktiviert). Jetzt muss Ihr Arbeitszyklus sein$\tau = \frac{u_o}{u_i}$. Aber die Ausgangsspannung ist jetzt immer positiv (in meiner Definition). Sie können die Spannung des Motors nicht umkehren, dh Sie können die Bewegungsrichtung des Motors nicht umkehren.

Um die Richtung umzukehren, müssen Sie Q2 aktiv halten und mit Q3 (und möglicherweise Q4) umschalten. Dann muss die Einschaltdauer wie gewählt werden$\tau=-\frac{u_o}{u_i}$.

Alles in allem fließt also während der Leitung von Q1 / Q4 (bzw. Q2 / Q3) Strom von der Quelle sowohl zum Motor als auch zum Magnetfeld in der Induktivität. Während der zweiten Phase (Q2/Q4, Q1/Q3) fließt die Energie vom Magnetfeld zum Motor. Die Quelle liefert in dieser Phase keine Leistung.

Der Vorteil besteht darin, dass die Stromwelligkeit kleiner ist, da die angelegte Spannung während der Phase, in der Q2 und Q4 leiten, kleiner ist. Dadurch wird der Strom bei gegebener PWM-Frequenz stabiler.

Der Nachteil ist, dass Sie die Beine wechseln müssen, wenn Sie Ihren Motor positionieren möchten. Wenn Sie einfache Bewegungen wünschen, kann dies möglicherweise vernachlässigt werden, aber wenn Sie es richtig machen wollen, müssen Sie sorgfältig einen Algorithmus erstellen, der diese Schalteigenschaften handhabt. Es ist machbar, aber Sie müssen dort einige minutiöse Überlegungen anstellen.

Optimierung der Verlustleistung

Sie können sogar die Verlustleistungsverteilung in den FETs optimieren, indem Sie einige ausgefallene Dinge tun. Sie könnten mit der Durchführung von Q1/Q4 beginnen. Dann Q2/Q4, Q1/Q4, Q1/Q3. Sonst bekommt der FET Q3 keine Energie und die anderen mehr davon.

Hinweis: Wenn Sie dies nicht benötigen, legen Sie das inaktive Bein auf 0 V. Der High-Side-FET ist aus Sicht des Schaltungsdesigns immer schlechter, da Sie möglicherweise Probleme mit der Versorgung des Gates haben.

Einige Worte zum Wechseln

Ich habe Ihnen gesagt, dass wir einige Vereinfachungen vornehmen, indem wir nur die Zustände Q1/Q4 und Q2/Q3 usw. betrachten. Betrachten Sie Q1/Q4 als leitend und es fließt gerade ziemlich viel Strom. Jetzt möchten Sie Q1/Q4 deaktivieren und Q2/Q3 aktivieren. Sie schalten die FETs Q1/Q4 aus und Q2/Q3 ein. Da die Gate-Treiber über einen gewissen Durchschussschutz verfügen, deaktivieren sie die FETs Q1/Q4 direkt, warten jedoch einige ns, bevor die anderen FETs aktiviert werden.

Irgendwo muss der Strom fließen. Der einzige Weg für den Strom geht jetzt durch D3, die Quelle und D2. Hier sehen Sie, warum die Dioden wirklich wichtig sind! Andernfalls würde der Strom eine Spannungsspitze verursachen und jedes angeschlossene Gerät beschädigen. Sobald die FETs aktiviert werden, wird der Spannungsabfall an den Dioden reduziert und die Verlustleistung reduziert.

Dasselbe passiert im Einbeinfall.

Versuchen Sie für den normalen Betrieb der H-Brücke, den Shutdown-Pin zu verwenden. Wenn Sie 20 % PWM-Impuls in Vorwärtsrichtung benötigen, geben Sie 20 % PWM-Impuls an IN1 und schalten Sie in den verbleibenden 80 % der Zeit den Prozess ab. Auf diese Weise können wir einen normalen h_bridge-Betrieb erreichen

Es sieht so aus, als wäre es einfacher, MOSFET-Gate-Treiber mit individuellen Eingängen für jeden Ausgang zu verwenden.

Es wird ein etwas ausgefeilterer PWM-Generator benötigt, z. B. ein Mikrocontroller mit der erforderlichen Totzeit in der Ansteuersequenz.

Mit einzelnen Pins können Sie beispielsweise den linken oberen MOSFET verwenden, um die Geschwindigkeit mit 5-95% PWM-Tastverhältnis einzustellen, und den rechten unteren MOSFET auf logisch 1 oder 0 setzen, um die Richtung einzustellen. Nun, das ist meine Vision des Problems.