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2022.05.11 馬達

使用PWM輸出方式驅動有刷直流馬達:
PWM驅動時的電流再生方法

有刷直流馬達

重點:

・有刷直流馬達的PWM驅動會反覆外加電壓和電流再生動作。

・有刷直流馬達的PWM驅動使用H橋的電流再生方法有多種,再生電流路徑不同損耗也不同。

上一篇文章對有刷直流馬達的PWM驅動原理的說明中,介紹了基於馬達兩端短路的電流再生方法,實際上有刷直流馬達的PWM驅動中還有其他電流再生方法,有刷直流馬達的PWM驅動中的每種方法都有其應該考慮的事項。

使用PWM輸出方式驅動有刷直流馬達:電流再生方法

下面是用來說明PWM驅動原理的示意圖。其中省略了沒必要列出的電晶體。(a)是外加電壓時的電流再生,(b)是馬達兩端短路方法的電流再生。

由於使用了電晶體(在該範例中為MOSFET)來切換H橋,因此考慮到現實問題,需要將電晶體的導通電阻作為每條路徑中的損耗加以考慮。該思路也同樣適用於後續的電流再生方法。

除了(b)以外,還有三種電流再生方法。(c)是在外加電壓的狀態下的只斷開Q1(Q2和Q3保持關斷,而Q4保持導通)的方法。
在這種情況下,再生電流經由關斷中的Q2的寄生(本體)二極體流動,與(b)中相同。此時,路徑中不僅包括導通電阻,還包括寄生二極體的正向電壓VF。因此,電流會迅速衰減。另外,外加到馬達的等效平均電壓會損耗VF的量,因此會小於占空比相應的電壓。

(d)是斷路所有電晶體的方法。在這種情況下,再生電流經由關斷的Q2和Q4的寄生二極體流動。在該路徑中,Q2和Q3的兩個寄生二極體的VF會成為損耗。

另外,由於電源Ea進入電流路徑並使電流沿相反的方向流動,所以再生電流的衰減非常快,並且外加於馬達的相對於ON占空比的等效平均電壓變得非常低。當以50%占空比驅動時,外加於馬達的等效平均電壓將接近於零。此時,由於存在二極體,因此當電流變為零時將停止再生,並且沒有電流沿相反方向流動。

(e)是使與外加電壓時相反的電晶體導通的方法,也就是從Q1和Q4導通、Q2和Q3關斷的電壓外加狀態變為Q1和Q4關斷、Q2和Q3導通的狀態,即偏置狀態。

在這種情況下也同樣,電源Ea進入電流路徑並使電流反向流動,因此再生電流的衰減非常快,在再生電流經由二極體時,當電流變為零時再生停止,但由於電晶體處於導通狀態,故電流將以相反的方向流動。

因此,如果按照與(d)相同的50%占空比進行驅動,則外加於馬達的等效平均電壓將變為零。在占空比為100%時,外加於馬達的等效平均電壓最大。在占空比從100%到50%之間,可以與占空比成正比控制從最大到零的外加電壓。另外,當占空比從50%到0%時,電流從100%到50%反向流動。該條件下的PWM電壓和電流波形如下所示。

關於有刷直流馬達的PWM驅動的說明中提到的損耗問題,將在下一篇文章中單獨進行介紹。

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