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2022.06.08 馬達

使用PWM輸出方式驅動有刷直流馬達:單切換電路驅動、半橋電路驅動

有刷直流馬達

重點:

・有刷馬達的單切換電路驅動透過一個切換控制旋轉和空轉兩種狀態。

・在有刷馬達單切換電路驅動中將功率電晶體用作切換時,由於電晶體可能會因反電動勢而受損,故需要使用鉗制二極體。

・有刷馬達半橋驅動方式可以控制旋轉、空轉和制動三種狀態。

・當使用MOSFET作為切換時,半橋電路可以透過MOSFET的寄生二極體實現制動動作。有刷馬達的單切換電路和半橋電路均適用PWM驅動和電流驅動。

作為有刷馬達驅動方法的最後一篇文章,本文將介紹透過有刷馬達“單切換電路”和“半橋電路”進行驅動的方法。兩種方法均適用直流驅動和PWM驅動。

透過單切換電路進行驅動

這是使用一個切換創建兩種狀態的電路,一種狀態是將直流電源的(+)和(-)連接到馬達,另一種狀態是斷開馬達與直流電源的(+)或(-)的連接。因其可以透過一個切換實現而被稱為“單切換電路”。

當切換導通時,馬達根據極性在一個方向上旋轉;而當切換關斷時,電壓消失,馬達空轉後停止。切換的位置可以在①的(-)側,也可以在③的(+)側。也可以用半導體功率電晶體(圖中的MOSFET)代替切換來構成電子電路。如②所示設定在(-)側時,使用Nch MOSFET;如④所示設定在(+)側時,使用Pch MOSFET。

使用功率電晶體時有一些注意要點。在該電路中,在切換剛剛OFF後,馬達的電感量即試圖使電流繼續保持流動,因此在①中,馬達(-)側的電壓達到電源電壓以上;在③中,馬達(+)側的電壓達到GND以下。該電壓超過電源電壓的幾倍。因此,在使用功率電晶體時,需要按照②和④電路圖所示,將功率二極體與馬達並聯連接,並透過用二極體的正向電壓抑制(鉗制)產生的電壓來保護電晶體。

當有該鉗位二極體時,在馬達產生的電壓高於二極體正向電壓期間內,馬達產生的電流將流過該二極體,因此轉矩的作用方向與旋轉方向相反,成為短路制動動作,馬達快速停止。

在該電路中也可以使用PWM驅動;也可以透過檢測馬達電流並負反饋,從而進行電流驅動。

透過半橋電路進行驅動

如圖所示,在電源之間聯連接兩個切換的電路,因其是使用四個切換的H橋(全橋)的一半而被稱為“半橋電路”。另外,由於一個H橋按1ch計算,因此有時也被稱為“0.5ch”。

當在①中接通SW2、在③中接通SW1時,馬達將根據極性在固定方向上旋轉。在①中,如果在旋轉狀態下關斷SW2並同時接通SW1,就會發生短路制動動作,馬達會迅速停止。在③中則相反,當關斷SW1的同時接通SW2時,將發生短路制動動作。此外,當在旋轉狀態下將①和③的SW2和SW1都關斷時,電壓消失,馬達空轉後停止。

與前述的單切換電路一樣,①和③的切換部分可以用半導體功率電晶體替代。在該電路範例中,在直流電源的(-)側使用了Nch MOSFET,(+)側使用了Pch MOSFET。由於MOSFET有寄生二極體,因此即使在空轉狀態將Q1和Q2斷開,與馬達並聯連接的MOSFET的寄生二極體也會再生電流,從而產生與短路制動相同的動作。只要馬達的產生電壓不降到寄生二極體的正向電壓以下,這種短路制動狀態就會持續。

與H橋電路一樣,由於在半橋電路中也有兩個串聯在電源和GND之間的切換(電晶體),因此預驅動電路中也需要防止同時導通控制功能,以確保切換切換時兩個切換不會同時導通。如果兩個切換同時導通,則稱為“直通電流”的大電流可能會流過電源間,並可能會損壞切換(電晶體)。

另外,為了創建旋轉、制動和空轉這三種輸出狀態,需要準備兩個二進位輸入或一個三進制輸入。如果只有一個二進位輸入,則只能從三種輸出狀態中選擇兩種。
該電路也可以使用PWM驅動;也可以透過檢測馬達電流並負反饋來進行電流驅動。

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