H-мост

	Авторские права.
Материал свободен для ознакомления. Для использования в коммерческих разработках или публикации необходимо разрешение администрации сайта Робофорум (www.RoboForum.ru) либо автора перевода (--Digit 12:38, 5 мая 2008 (MSD)).

Примечание к переводу

Данный материал - это вольный перевод серии англоязычных статей авторства Andras Tantos.
Статьи в исходном варианте можно найти по адресам:
Часть 1: http://www.modularcircuits.com/h-bridge_secrets1.htm
Часть 2: http://www.modularcircuits.com/h-bridge_secrets2.htm
Часть 3: http://www.modularcircuits.com/h-bridge_secrets3.htm
Рядом с некоторыми терминами в скобках я указывал их англоязычное написание. Во-первых, я не специалист и мог ошибиться в их переводе, а во-вторых, это ключевые слова, по которым можно вести поиск в англоязычной литературе.

Секреты H-мостов

Введение

В процессе разработки специализированного микромодуля H-моста (http://www.modularcircuits.com/h-bridge.htm) я многое изучил в данной области. Ниже описаны те вопросы, которые я не встречал в публикациях, и о которые обжегся (иногда в прямом смысле). В общем, я решил поделиться данной информацией в надежде, что она будет полезна для вас. Ну и отмазки: используйте данную информацию как отправную точку в вашем изучении H-мостов, а не как панацею и ответ на все вопросы.

В целом, H-мост – это простая схема, состоящая из четырех ключей с нагрузкой между ними (рисунок ниже). Таким образом, внешне она напоминает букву «Н», откуда, собственно, и название.

Традиционная схема Н-моста

Ключи Q1…Q4 обычно являются биполярными либо FET транзисторами. Если схема работает в высоковольтных сетях, то могут использоваться IGBT-транзисторы. Кроме того, никто не запрещает использовать реле или даже обычные выключатели. Но мы будем рассматривать полупроводниковый вариант реализации схемы.

Кроме возможности собрать мост из дискретных элементов, существуют еще и интегральные решения (весь мост в одной микросхеме, да к тому же еще и управляющая логика там же). Однако для многих разделов данной статьи не так уж и важно, интегральное решение рассматривается или дискретное.

Диоды D1…D4 называются ограничительными диодами (catch diodes) и чаще всего являются диодами Шоттки. Они упоминаются в большинстве документов, так или иначе связанных с Н-мостами, однако их роль в схеме чаще всего умалчивается. В данной статье я попытаюсь восполнить данный пробел.

В общем случае все четыре ключа в схеме могут быть независимо переведены в состояние «включено» либо «выключено» (соответственно, транзисторы открыты либо закрыты). Это накладывает ряд вполне очевидных ограничений, о которых я также расскажу ниже.

Наиболее распространенной нагрузкой, используемой с Н-мостами, являются:

1. коллекторные моторы постоянного тока (brushed DC-motor) с независимым возбуждением от постоянных магнитов. К этому типу моторов относится подавляющее большинство произведений китайской промышленности и вообще основная масса дешевых миниатюрных электродвигателей.
2. биполярные шаговые моторы (stepper motor). Для шаговиков необходимо два Н-моста на один мотор, т.е. по одному мосту на обмотку.

Принцип действия

Принцип действия Н-моста потрясающе прост:

1. если Q2 и Q3 открыты, а Q1 и Q4 закрыты, то левый вывод мотора на нашей схеме будет подключен к земле, а правый – к питанию. Через обмотки двигателя будет течь ток, и двигатель будет вращаться вперед (направление мы выбрали условно).
2. если Q1 и Q4 открыты, а Q2 и Q3 закрыты, то левый вывод мотора будет подключен к линии питания, а правый – к земле. Через обмотки двигателя опять же будет течь ток, но на этот раз в противоположном направлении, и двигатель будет вращаться назад.

Если требуется вращение двигателя со скоростью (или моментом) меньше, чем максимальным, один из ключей управляется ШИМ-сигналом (PWM). При этом среднее напряжение на моторе будет определяться ШИМ-сигналом, а именно отношением между временем, на протяжении которого ключ будет открыт и закрыт.

Ток при вращении вперед

Ток при вращении назад

Выбор элементной базы

Основным решением, которое необходимо принять при создании Н-моста, является выбор ключей. Существует множество факторов, которые надо бы при этом учитывать, однако существует ряд ключевых моментов, без четкого понимания которых дальнейшая работа по созданию Н-моста может стать игрой в «угадайку». К этим ключевым факторам относятся: ток и напряжение нагрузки, а также частота переключения ключей (по сути, частота ШИМ).

Для большинства применений полевые транзисторы (MOSFET) могут считаться хорошим выбором, поэтому я буду рассматривать выбор именно этих транзисторов.

Когда MOSFET работает в режиме ключа, он может иметь два состояния: открыт и закрыт. В открытом состоянии он в той или иной степени ведет себя как резистор малого номинала. Его сопротивление называется сопротивлением канала (channel resistance) и в даташитах обозначается как R_dson. Очевидно, что чем выше это значение, тем больше потери энергии на MOSFETе. Пока эффективность Н-моста низка, он будет греться, поскольку потери энергии преобразуются в тепло и рассеиваются. Таким образом, чем меньше значение сопротивления канала, тем лучше, и тем выше КПД Н-моста.

Еще один фактор, о котором необходимо сказать, это зависимость R_dson от температуры. Сопротивление канала увеличивается с увеличением температуры. В справочной документации сопротивление R_dson приводится для нормальных условий (чаще всего, для 25°С), однако эта температура редко когда бывает в реальных условиях эксплуатации. Таким образом, обязательно смотрите графики зависимости R_dson от температуры для всего диапазона температур, в которых планируете использовать вашу схему. Это необходимо, чтобы удостовериться, что транзисторы будут использоваться в штатном режиме, а КПД схемы будет удовлетворительным. Очередным решением, которое необходимо принять на этапе выбора элементной базы, является выбор между N-канальным и P-канальным полевым транзистором. Полевые транзисторы с N-каналом традиционно имеют существенно меньшее сопротивление R_dson, однако они гораздо сложнее в управлении в верхних плечах моста (на позициях Q1 и Q3). По большей части нижние плечи моста всегда делаются на N-канальных транзисторах, тогда как верхние плечи бывают как N-канальными, так и P-канальными. Подробнее о проблеме использования N-канальных полевых транзисторов в верхних плечах моста я расскажу чуть позже. На текущем же этапе достаточно сказать, что это решение в значительной мере определяет схему управления мостом.

После того, как тип ключей определен, можно приступить к выбору элементной базы. Ток нагрузки и доступность принудительного охлаждения моста определяют максимальное значение сопротивления канала R_dson. В принципе, чем больше корпус транзистора, тем больше тепла он может рассеять, и, следовательно, большие токи он может коммутировать (при условии равенства сопротивления канала для транзисторов в разных корпусах). Традиционными корпусами транзисторов являются SO-8, D-PAQ и D2-PAQ для поверхностного монтажа и TO-92, TO-220 и TO-3 для монтажа в отверстие. Безусловно, существуют и другие в той или иной мере экзотические типы корпусов, но приведенные выше наиболее широко распространены.

При работе с корпусами для поверхностного монтажа необходимо помнить, что их термические характеристики сильно зависят от топологии печатной платы. В качестве примера давайте рассмотрим корпус TO-220. В случае отсутствия пассивного охлаждения (радиатора) он имеет термическое сопротивление порядка 60°С/Ватт. Пусть транзистор в этом корпусе может функционировать вплоть до 170°С. Итак, если температура окружающей среды не будет подниматься выше 80°С, транзистор в корпусе TO-220 сможет рассеять 1.5 Ватта энергии (1.5*60+80=170). То есть, если вы хотите коммутировать ток 10 А, из формулы Р=I²*R вы можете получить максимальное сопротивление канала R_dson=15 мОм=0.015 Ом. Так получилось, что данное значение отлично ложится в параметры полевого транзистора IRF1010Z, который имеет R_dson=7.5 мОм при температуре 25°С и приблизительно в два раза больше при 170°С.

Конечно, если вы можете обеспечить лучшее охлаждение с помощью радиатора и/или вентилятора, то вы при прочих равных условиях сможете коммутировать большие токи. Также вы можете раскошелиться на MOSFETы с меньшим параметром R_dson. Но тут есть один нюанс: чем меньше R_dson, тем больше MOSFET. Чем больше устройство (имеется ввиду полевой транзистор, его ядро), тем больше у него площадь затвора. Затвор в MOSFETах устроен таким образом, что образует конденсатор с истоком (и со стоком тоже, но в данном случае для нас это не так уж важно). Поскольку MOSFET – это устройство, управляемое напряжением, то напряжение между его затвором и истоком должно быть в определенных пределах, чтобы транзистор был полностью открыт. Чтобы закрыть транзистор, напряжение также должно попасть в определенный (на этот раз уже другой) диапазон. Таким образом, для переключения транзистора из одного состояния в другое необходимо заряжать и разряжать эту паразитную емкость затвора. Итак, имея большую мощность, мы получаем большую паразитную емкость затвора, а, следовательно, больше времени занимает ее зарядка и разрядка. Почему это может быть важно?

Полевые транзисторы имеют низкое сопротивление канала, когда они полностью открыты, и они не проводят ток, когда они полностью закрыты. В обоих граничных случаях рассеиваемая энергия относительно мала. Как правило, невозможно перейти из открытого состояния в закрытое и обратно мгновенно. В любом случае будет присутствовать короткий период, когда транзистор не до конца открыт или закрыт, т.е. когда R_dson относительно велико, но не настолько, чтобы ток прекратил течь через нагрузку. В этот период смены состояния и падение напряжения на транзисторе (в силу сопротивления канала), и ток через него одинаково важны и определяют высокое рассеивание энергии на транзисторе. Естественно, вам захочется сделать этот период настолько коротким, как это только возможно, а значит большая паразитная емкость затвора – это не то, чего нам бы хотелось. Подытоживая, емкость затвора определяет скорость переключения транзистора, а значит КПД схемы и предел частоты функционирования устройства.

Несмотря на все выше сказанное, есть еще один фактор, который необходимо иметь ввиду: чем быстрее транзистор переключается, тем более резкие изменения напряжения и тока происходят в схеме. Эти изменения в свою очередь вызывают электро-магнитные помехи, которые также не желательны. Если коротко, вам не следует делать скорость переключения (не частоту!) слишком большой, иначе вы рискуете получить высокий уровень помех в ваших цепях.

Потери энергии при переключении транзистора не так важны в случае низкочастотных устройств (частота порядка пары сотен Герц), но при увеличении частоты эти потери значительно увеличиваются, а после определенной точки они становятся основным источником потерь.

Верхние ключи моста: выбор между N- и P-канальными транзисторами

Давайте потратим некоторое время на то, чтобы разобраться с этим вопросом. Как уже сказано выше, полевые транзисторы с N-каналом могут быть выбраны для этой роли за счет их высокой эффективности. Но существует проблема: для того, чтобы они в верхних плечах моста функционировали корректно, их источник должен быть подключен к выводу мотора, а сток – к питанию. Когда используется P-канальный транзистор, его источник подключается к линии питания, а сток – к выводу мотора.

Итак, проблема в том, что полевые транзисторы управляются напряжением затвор-исток.

Для P-MOSFETа это значит, что если подключить затвор к линии питания, то напряжение затвор-исток будет равно нулю и транзистор будет закрыт, а если затвор подключить к земле, то транзистор будет открыт (если, конечно, напряжения питания достаточно для открытия транзистора), поскольку напряжение затвор-исток будет равно напряжению питания.

Для N-канального полевого транзистора ситуация гораздо сложнее. Если вы подключите затвор к земле либо к истоку, то транзистор будет закрыт (напряжение затвор-исток меньше либо равно нулю). Но куда в таком случае подключать затвор? Напряжения питания не достаточно, поскольку, когда транзистор откроется, его исток окажется практически под тем же напряжением, что и затвор. Однако напряжение на затворе должно быть больше для того, чтобы транзистор остался открытым! По факту как минимум на 5В больше для транзисторов, управляемых логическим уровнем, и на 10-15В больше для обычных MOSFETов. То, что это напряжение должно быть каким-то образом сгенерировано, – очень важная проблема. В большинстве подобных случаев применяются различные типы зарядных помп (charge-pump), как в виде самостоятельных устройств, так и в виде boot-strapping. Последний вариант, как правило, возможен только в случае, если мост работает в режиме «заблокированной противофазы» (см. ниже). В любом случае, эти драйверы верхних ключей моста не могут обеспечить такой же ток, как драйверы нижних ключей, что означает большее время открытия и закрытия верхних ключей (меньший ток дольше заряжает и разряжает емкость затвора). В случае высокочастотных цепей, когда потери времени на переключение становятся ключевым моментом, полевые транзисторы с P-каналом могут быть лучшим решением. В случае низкочастотных цепей с высокоамперной нагрузкой, когда потери на переключение не являются проблемой, в то время как сопротивление канала чрезвычайно важно, N-канальные транзисторы являются лучшим компромиссом. Полужирное начертание

Ограничительные диоды

В большинстве описаний Н-мостов ограничительные диоды D1…D4 часто либо не упоминаются вовсе, либо о них говорится очень сжато. Однако они являются очень важным компонентом. Фактически, основной идеей данного раздела является мое желание поделиться некоторым опытом, который я получил в этой области.

Принцип действия очень прост: пока мост включен, а два из четырех транзисторов проводят ток, ограничительные диоды не играют никакой роли. Однако как только мост выключается, транзисторы ток не проводят. Как указано выше, наиболее распространенной нагрузкой для Н-мостов является двигатель постоянного тока, который – не что иное, как индуктивная нагрузка. Что это означает применительно к нашему случаю? Пока мост включен, мотор создает электромагнитное поле внутри обмоток. Когда ключи выключаются, это поле постепенно уменьшается. И пока это происходит, ток продолжает течь в обмотках! Этот ток не может течь через транзисторы, т.к. они закрыты, но он должен найти себе дорогу! Ограничительные диоды предназначены для того, чтобы предоставить для этого тока низкоомный путь и удержать напряжение на выводах мотора в разумных пределах.

Итак, всякий раз, когда диод пропускает ток, на нем будет падать относительно постоянное напряжение. Этот параметр называется прямое падение напряжения, обозначается как V_F и находится в пределах 500…1000 мВ для большинства компонентов. Это падение напряжения в сочетании с током через диод дает определенное выделение тепла. Фактическое выделение тепла зависит от среднего тока, протекающего через диод, и процента времени, в течении которого диод пропускает ток. Давайте рассмотрим пример. Предположим, электро-магнитное поле затухает в двигателе за 1 мс, длительность цикла – 10 мс, ток в момент начала цикла выключения 10 А и он падает линейно (предположим, у нас идеальная индуктивная нагрузка). Тогда средний ток через диод будет 5 А для 10% времени работы диода. Рассеиваемое тепло будет 5А*0.5В*10%=0.25 Ватта (предполагаем тут, что V_F=0.5 В). Если вдруг поле затухает медленнее, скажем 5 мс, то рассеивание увеличивается до 5А*0.5В*50%=1.25 Ватта. Количество рассеиваемого тепла становится все больше с увеличением времени затухания поля и становится неприлично большим в случае, если поле не успевает затухнуть за период выключенных транзисторов. Из наших прикидочных расчетов можно видеть, что выделение энергии на диодах соизмеримо с выделением энергии на транзисторах.

Важно понимать, что для случая низкочастотных операций, выбор транзисторов по большому счету определяется максимальным постоянным током, коммутируемым Н-мостом, в то время как выбор диодов – это весьма запутанный процесс, включающий анализ затухания поля в индуктивной нагрузке. Выбор диодов зависит от динамики поведения Н-моста. Дизайн моста и метод управления им являются ключевыми в вопросе времени, в течении которого диод проводит ток. Это выливается в то, что при одном типе управления мост может фактически пережить гораздо большие токи, чем при другом. А на определенных режимах управления мостом диоды могут не проводить ток вообще. О методах управления мостом будет написано подробнее ниже.

Одной из важных особенностей полевых транзисторов является наличие внутреннего диода между стоком и истоком. Этот диод работает как ограничительный в мостовых схемах, и в большинстве документации на полевые транзисторы приводятся параметры этого диода. Таким образом, можно использовать этот диод, если его параметры удовлетворяют требованиям конкретного устройства, а внешние диоды не распаивать. Для биполярных транзисторов наличие внешних ограничительных диодов обязательно, т.к. они не имеют внутреннего диода.

Диоды, когда не проводят ток, имеют небольшую емкость между своими выводами. Эта емкость должна быть разряжена, прежде чем устройство сможет быть включено, что приводит к некоторым задержкам отклика диода на резкие изменения напряжения. Емкость диода зависит от многих факторов, но по большому счету берет свое начало от площади P-N перехода. Если коротко, чем мощнее диод, тем он «медленнее», т.е. больше его емкость. Когда транзисторы моста выключаются, а ток двигателя ищет себе дорогу, его путь пролегает через диоды. В этой связи задержка включения диодов представляет некоторую проблему. К тому же, ситуацию ухудшает то, что эта задержка происходит в момент, когда ток максимален. Если эту проблему не решить, то напряжение на моторе может достигать опасных значений и повредить транзисторы. Для того чтобы схема нормально перенесла момент, когда ни транзисторы, ни диоды не проводят ток, в схему вводят конденсатор, подсоединяемый к выводам мотора. Есть модели двигателей, которые уже содержат встроенный конденсатор, однако это редкость и по большей части требуется подключение внешнего конденсатора. Этот конденсатор сглаживает пульсации и дает время на открытие диодов. Однако напряжение на выводах мотора нарастает очень быстро, поэтому очень важно выбирать диоды с малым временем включения (turn-on delay), и именно поэтому диоды Шоттки предпочтительнее в данном случае.

Модель мотора

В большинстве случаев мотор постоянного тока может быть представлен как индуктивность и источник напряжения. Иногда важно учитывать в модели и внутреннее сопротивление мотора (см. рисунок).

Индуктивность – это обмотка мотора. Сопротивление – это все электрические потери в моторе. Источник напряжения – это «напряжение генератора», оно пропорционально скорости вращения мотора и обозначается как V_g. Ток, протекающий через мотор, пропорционален усилию, развиваемому мотором.

Существует два важных граничных режима мотора.

Первый – когда мотор вращается без нагрузки. В этом случае момент мотора используется лишь для компенсации потерь на элементах мотора. Если мы на секундочку представим, что потерь нет, то мы увидим, что ток равен нулю, т.к. усилие на продолжение вращения не требуется, а напряжение равно V_g. Если же потери учитываются, то ток все равно останется достаточно маленьким, а напряжение будет близко к V_g.

Второй режим мотора – если ротор двигателя заблокирован. В этом случае вращения не происходит, V_g=0, двигатель работает как индуктивность. Ток, протекающий через мотор, будет генерировать момент на валу, но напряжение на выводах мотора будет равно нулю (или близко к нему, если есть потери).

Несмотря на это, мы будем игнорировать потери в моторе в дальнейшем описании процесса, либо примем их постоянными (во многих случаях потери напрямую зависят от скорости вращения мотора). Также мы примем L_m, R_m и V_g постоянными для данной скорости. Фактически, в силу коммутации обмоток в моторе и других причин эти величины не являются постоянными даже для одной и той же скорости, а зависят от положения ротора. Это, кстати, очень важный момент. Его мы обсудим, когда будем говорить об измерении противо-ЭДС.

Методы управления (Drive mode)

Мост может управляться несколькими различными методами. В любом методе управления можно выделить две фазы: период полезной работы (on-time) и холостой ход (off-time).

В большинстве случаев, период полезной работы для всех методов одинаков и заключается в том, что мост подключает нагрузку к питанию, за счет чего нагрузка выполняет полезную работу. Функционирование моста в период полезной работы не отличается особой сложностью: открывается один из транзисторов верхней части моста и противоположный ему (по диагонали) транзистор нижней части моста, что позволяет току течь через нагрузку.

Период холостого хода – это время, в течении которого транзисторы моста могут быть как открыты, так и закрыты. А характерен этот период тем, что даже если мост и подводит энергию к нагрузке, то эта энергия не идет на выполнение полезной работы, а тратится на некоторые «сервисные» действия, необходимые для правильного функционирования схемы. Для различных методов управления мостом период холостого хода будет различен.

Так как транзисторы в паре Q1+Q2 (к транзисторам Q3+Q4 это тоже относится) никогда не должны быть открыты одновременно, чтобы не было короткого замыкания, то существует только три корректные комбинации этой пары транзисторов: либо Q1 открыт, либо Q2 открыт, либо оба закрыты.

В следующих диаграммах я использовал упрощенное обозначение методов управления мостом. Низкий уровень обозначает, что нижний полумост включен (то есть, открыты транзисторы Q2 или Q4). Средний уровень показывает состояние, когда ни один из транзисторов не открыт. А высокий уровень говорит о том, что транзистор верхнего полумоста открыт (Q1 или Q3).

Также важно помнить, что фактические значения напряжения, необходимые для управления мостом, зависят от выбора элементной базы (P- или N-канальные транзисторы верхнего полумоста), и что для двух транзисторов необходимо два независимых сигнала управления.

Символические и фактические управляющие сигналы для N-канальных транзисторов верхнего полумоста

Символические и фактические управляющие сигналы для P-канальных транзисторов верхнего полумоста

Непрерывный и прерывистый ток

Это термины из области импульсных блоков питания, но во многих случаях Н-мосты и понижающие источники питания весьма похожи. Можно выделить два важнейших режима функционирования моста: когда ток успевает уменьшиться до нуля за период холостого хода, и когда он упасть до нуля не успевает. В первом случае мы можем говорить о прерывистом токе, во втором – о непрерывном. Различие этих режимов очень важно по многим причинам, в том числе и потому, что рассеиваемая на ограничительных диодах энергия для этих режимов будет существенно отличаться. Отношение между максимальным и средним током мотора всегда будет больше двух для прерывистого режима. Это же отношение для режима непрерывного тока будет всегда меньше двух. С этой точки зрения режим непрерывного тока предпочтительнее. С другой стороны, всякий раз, когда ток мотора будет падать до нуля, напряжение на выводах мотора будет равно V_g (нет падения напряжения на сопротивлении или индуктивности), а значит, это напряжение можно использовать для замера скорости вращения ротора.

В каком режиме работает схема, зависит от метода управления, нагрузки на валу мотора (точнее, скорости вращения ротора) и напряжения питания.

В дальнейшем я буду считать, что схема работает в режиме прерывистого тока. Все расчеты нетрудно повторить для режима непрерывного тока. Также я принимаю для расчетов, что во время периода полезной работы Н-моста транзисторы Q2 и Q3 открыты. Другими словами, мотор вращается «вперед».

Метод управления «Sign/Magnitude»

Это простейший способ управления мостом. Во время периода полезной работы (как и во всех остальных методах управления) один транзистор верхнего плеча и противоположный транзистор нижнего плеча открыты, остальные – закрыты. Ток мотора нарастает в течении этого периода от нуля до максимального значения.

В течении периода холостого хода, транзистор верхнего плеча остается открытым, а транзистор нижнего плеча закрывается. Ток мотора продолжает течь через транзистор Q3 и диод D1. Он не может течь через диод D2, поскольку прямой ток диода D2 противоположен току мотора (другими словами, диод D2 в этом режиме никогда не будет проводить ток в прямом направлении). Напряжение на выводах мотора в этом случае будет равно V_F. Напряжение на обмотках двигателя будет V_g+V_F-I*R_m, или приблизительно V_g, если пренебречь R_m. Если момент на валу мотора отсутствует, то приблизительно V_g=V_bat*t_on/t_cycle. Если вал застопорен, то V_g=0. В конечном счете, изменение тока на индуктивной нагрузке пропорционально напряжению на ней (V_L=L*dI/dt). В случае отсутствия нагрузки ток будет уменьшаться очень медленно, в то время как в случае заблокированного ротора ток будет уменьшаться приблизительно с той же скоростью, с какой он возрастал.

Как только ток упадет до нуля, диод D1 закроется и напряжение генератора V_g установится на выводах мотора. Схема будет продолжать находиться в этом состоянии до тех пор, пока не начнется следующий цикл управления.

Как можно видеть из этого пояснения, диод D1 проводит ток в течении периода холостого хода до тех пор, пока ток не упадет до нуля. Он начинает проводить во время максимального тока. Предположив линейность уменьшения тока (другими словами, пренебрегая резистивными компонентами схемы), суммарная рассеиваемая энергия может быть вычислена по формуле:

P_D=V_F*I_max*t_collapse/t_cycle/2

где t_collapse – это время, за которое ток падает до нуля, а t_cycle – это продолжительность цикла управления. т.е. on-time+off-time или другими словами сумма продолжительности периодов полезной работы и холостого хода.

Время, необходимое на уменьшение магнитного поля в моторе, зависит в основном от напряжения, выдаваемого мотором-индуктором. Так как, грубо говоря, это напряжение равно V_g, которое к тому же может быть равно нулю, время уменьшения тока может быть весьма большим. Это означает, что диод проводит ток значительную часть цикла управления, а значит, рассеиваемая на диоде энергия весьма значительна, что может быть опасно для устройства. Если у вас именно такой случай, лучше применить другой способ управления, где нагрузка на диод будет меньше.

Есть еще один вариант этого режима управления мостом, когда вместо транзистора Q3 открытым на протяжении всего цикла остается транзистор Q2. Это приводит к тому, что диод D4 становится проводящим элементом для тока. Время затухания, как и остальные параметры, в этом случае аналогичны.

В целом, это хорошая идея – переключать транзистор верхнего плеча настолько редко, насколько это возможно, так как переходные процессы в нем медленны, а значит, потери на переключение значительны. В этой связи первый вариант управления мостом предпочтительнее. Несмотря на это, если управляющая частота достаточно низка, чтобы потери на переключение не являлись проблемой, имеется возможность уменьшить рассеивание энергии на диоде путем поочередного использования этих двух вариантов метода управления мостом, т.е. открытым в период холостого хода будет оставаться поочередно то транзистор Q2, то транзистор Q3. Эта хитрость позволяет уменьшить рассеиваемое тепло на диоде вдвое, поскольку та же энергия будет рассеиваться поочередно на диодах D1 и D4, что позволяет диодам функционировать в штатном режиме. В любом случае, при таком способе управления мостом могут коммутироваться гораздо большие средние и пиковые токи при условии, конечно, что диоды являются ограничивающим фактором.

Метод управления «фиксированная противофаза» (Lock anti-phase drive)

Этот в значительной мере популярный метод удаляет практически полностью нагрузку с ограничительных диодов. Этот режим характерен тем, что мотор в период холостого хода включается в обратной полярности. То есть в течении периода полезной работы открыты транзисторы Q2 и Q3, а в период холостого хода – Q1 и Q4. При этом диоды никогда не проводят ток за исключением короткого периода переключения транзисторов.

В течении периода холостого хода напряжение на обмотках мотора грубо равно V_bat+V_g, что значительно выше, чем в предыдущих методах. Это приводит к значительно более быстрому уменьшению магнитного поля. Проблема данного метода в том, что ток уменьшается до нуля, после чего продолжает уменьшаться (становится отрицательным). В этот момент двигатель старается вращаться в обратном направлении, что не вполне правильно. Еще одна отличительная черта данного метода, что напряжение генератора V_g никогда не устанавливается на выводах мотора. Это не проблема для большинства традиционных схем, однако, если применяется метод контроля скорости по противо-ЭДС, этот метод управления мостом применяться не может.

Метод активного уменьшения поля (Active field-collapse drive)

Это вариация предыдущего метода: в течении периода холостого хода мотор подключается в обратной полярности, что позволяет очень быстро уменьшить остаточное поле, при этом току не позволяется значительно уйти в отрицательную область.

Работает данный метод следующим образом. Период полезной работы традиционен (открыты транзисторы Q2 и Q3). В период холостого хода оба этих транзистора закрываются, а открывается транзистор Q1. Это приводит к тому, что диод D4 начинает проводить ток. На моторе, как и в предыдущем случае, будет напряжение V_bat+V_g, поэтому остаточное поле уменьшается интенсивно. Однако, как только ток падает до нуля, диод D4 закрывается и напряжение генератора V_g появляется на выводах мотора. Однако и этот метод не без проблем. Так как левый вывод мотора подключен к V_bat и мотор продолжает вращаться «вперед», напряжение генератора V_g будет открывать диод D3. В результате мотор будет короткозамкнут, и напряжение генератора вместо того, чтобы быть на выводах мотора, будет появляться на внутренней обмотке. Это в свою очередь снова вызовет генерацию тока через мотор, а значит, уменьшение остаточного поля будет происходить значительно медленнее, чем в предыдущем методе.

Нагрузка на диоде (в нашем случае это D4) не нулевая, однако она все равно значительно меньше, чем в случае метода управления мостом sign/magnitude, поскольку уменьшение остаточного поля происходит значительно быстрее. Имеет место некоторое рассеивание энергии на диоде D3, но оно опять же значительно меньше, чем перед этим, since the motor current only slowly increases - in the same rate as it collapsed in the sign/magnitude drive case - but it starts from 0 and not from I_max.

Однако, как и в предыдущем методе управления мостом, напряжение генератора никогда не появляется на выходах мотора, поэтому данный метод не подходит для случая контроля скорости по противо-ЭДС.

Модифицированный метод активного уменьшения поля

Если имеется возможность замерить напряжение на выводах мотора в схеме, то можно внести в вышеприведенный метод управления некоторые изменения с целью увеличения его эффективности.

Как можно видеть на диаграмме выше, когда ток мотора становится равным нулю, напряжение на выводе мотора 'B'-side подскакивает от напряжения земли до V_bat+V_F. Если схема может отследить этот момент, отключить транзистор Q1 и включить транзистор Q2, диод D3 никогда не откроется, V_g может быть обнаружен на выводах мотора, а ток останется равным нулю.

Этот метод управления убирает нагрузку с диода D3, однако она наследует быстрое уменьшение остаточного поля от предыдущего метода. И к тому же эта схема рассеивает значительно меньше энергии, чем метод управления мостом sign/magnitude.

Одной интересной характеристикой метода активного уменьшения остаточного поля (обоих вариантов: и оригинального, и модифицированного) является то, что во время затухания поля ток течет через аккумуляторную батарею. Это означает, что во время периода выключения этот ток заряжает батарею, возвращая часть потраченной энергии. В целом, это интересная фишка, но необходимо удостовериться, что батарея в состоянии принять этот ток, иначе V_bat может возрасти потенциально до опасных пределов. Если батарея не в состоянии принять возвратный ток, необходимо поставить конденсатор большой емкости на линию питания, чтобы сгладить увеличение напряжения. Точное значение емкости данного конденсатора можно рассчитать исходя из значения возвратного тока (I_max*t_collapse/2) и максимального превышения напряжения питания батареи. Как правило, емкость конденсатора чем больше – тем лучше.

Естественно, аналогичная техника может быть применена для нижнего плеча, используя транзистор Q4 и диод D1 для возвратных токов. Также возможно попеременное использование методов управления с транзисторами Q1 и Q4 для снижения нагрузки на диод в два раза путем ее разделения на два диода.

Метод синхронного уменьшения (Synchron collapse drive)

Если имеется возможность измерить ток потребления мотора и точно определить, когда он пересекает ноль, появляется возможность модифицировать метод управления «фиксированная противофаза» несколько иным способом. В этом случае в течении периода холостого хода транзисторы Q1 и Q4 проводят ток, но только до тех пор, пока остаточное поле не уменьшится до нуля. В этот момент оба транзистора Q1 и Q4 закрываются, а взамен открывается транзистор Q2 (или Q3). Это позволяет замерить напряжение генератора V_g на выводах мотора, при этом ограничивающие диоды не нагружаются, а ток равен нулю для всего периода холостого хода.

Поскольку диоды не используются, за исключением короткого периода, когда переключаются транзисторы, рассеивание энергии на них будет пренебрежимо мало. Однако данный метод управления требует весьма точного определения момента перехода тока двигателя через ноль, что может быть сложно реализуемо с приемлемой степенью надежности.

Какой метод управления использовать?

Выбор метода управления зависит от многих вещей, однако можно наметить некоторые ключевые моменты:

1. Если ток в период холостого хода не является проблемой, а частота велика, имеет смысл задуматься о применении метода sign/magnitude с постоянно открытым транзистором верхнего плеча.
2. Если рассеивание энергии на диодах критично, а частота также весьма высока, надо думать о применении чередования двух методов sign/magnitude для распределения нагрузки на два диода.
3. Если мотор не предназначен для работы под большой нагрузкой либо на низких скоростях, надо оценить возможность применения метода «фиксированной противофазы».
4. Если не требуется замер противо-ЭДС, метод активного уменьшения поля может быть приемлемым компромиссом между рассеиванием энергии и сложностью.
5. Если есть необходимость замера противо-ЭДС, либо в схеме не критична дополнительная сложность, то можно использовать модифицированный метод активного уменьшения поля либо метод синхронного уменьшения.
6. Для применений в сфере высокого напряжения метод синхронного уменьшения будет являться идеальным выбором. Либо возможно применение метода «фиксированной противофазы», если точное измерение тока не возможно.

Противо-ЭДС (Back-EMF)

В большинстве случаев просто управлять мотором не достаточно. При этом цель – управлять мотором с поддержанием определенной скорости. Для этого применяется контур регулирования (control loop) и замеряется фактическая скорость ротора.

Способов измерения скорости ротора не мало. Одни из популярных – это использование квадратурного энкодера либо тахометра. Первый генерирует два пульсирующих сигнала, причем сдвиг фазы одного сигнала относительно второго зависит от направления вращения, а частота пульсаций – от скорости вращения ротора. Тахометры в большинстве своем – это специальные динамо-машины, выходное напряжение которых пропорционально скорости вращения ротора.

Обычный мотор постоянного тока, в принципе, та же динамо-машина. Значит теоретически мотор, которым мы управляем, можно использовать для замера его собственной скорости. Все, что нам для этого нужно – это замерить противо-ЭДС, которую мы выше обозначили как V_g и назвали «напряжением генератора». В рамках этой статьи все эти термины синонимичны и я буду придерживаться названия «напряжение генератора».

Если мы замерим напряжение генератора, то может быть построен закрытый цикл контроля скорости без применения каких-либо внешних измеряющих элементов.

Как уже указывалось выше, всякий раз, когда ток мотора становится равным нулю, напряжение генератора устанавливается на выводах мотора. Часть методов управления мостом (sign/magnitude, модифицированный метод активного уменьшения поля, метод синхронного уменьшения) имеет в цикле управления период, когда ток равен нулю. Эти методы управления могут быть использованы в сочетании с техникой, описываемой в данном разделе. Для замера противо-ЭДС требуется измерить напряжение на выводах мотора, то есть, например, в модифицированном методе активного уменьшения поля все необходимые схемотехнические решения уже присутствуют. А для метода синхронного уменьшения замеряется еще и ток потребления мотора.

It is important to note that the generator-voltage measurement can only be done if the motor current does in fact reaches 0, so the circuit must operate in the discontinuous current mode. Since the average current in this mode cannot be more than half of the short-circuit current, to reach maximum torque, a higher than nominal battery voltage has to be used. Whether the circuit operates in continuous or discontinuous mode, depends on many things, among other things, the generator voltage itself. This poses a problem, so the sampling circuit has to be able to detect if the circuit is in deed in discontinuous mode. It is even more important if the circuit operates with a higher than nominal battery voltage, since that, in continuous current mode can damage the motor. There are many ways of capturing the voltage on the motor terminals. You can measure the differential voltage, or measure the voltage on the two terminals individually. It is interesting to note that one of the leads is always connected to either the positive supply rail or to ground, so it is enough to measure the voltage on one of the leads, since the other terminal is at a known potential.

Измерения на живом моторе

Картинки ниже показывают фактические сигналы, замеренные на выводах мотора, управляемого мостом с помощью разных методов.

	Метод Sign/Magnitude с постоянно открытым транзистором верхнего плеча
	Метод активного уменьшения поля с открытым транзистором верхнего плеча в период холостого хода
	Метод Sign/Magnitude с попеременным открытием транзисторов верхнего и нижнего плечей в период холостого хода
	Метод активного уменьшения поля с попеременным открытием транзисторов верхнего и нижнего плечей в период холостого хода

Это части сигналов, на которых видно напряжение генератора.

Сложности

Указанные выше картинки привели нас к этому разделу: почему противо-ЭДС там и что мы можем с этим сделать? Очевидно, замерить напряжение генератора, когда оно так зашумлено, – это проблема.

Чтобы разобраться в этом вопросе, давайте рассмотрим принцип действия двигателя постоянного тока. В подавляющем большинстве двигателей постоянного тока вы найдете постоянные магниты на статоре (неподвижная часть мотора) и три обмотки, намотанных на трехлучевой сердечник ротора (подвижная часть мотора). Также в двигателе вы найдете две щетки, которые коммутируют подводимые линии питания двигателя с обмотками.

Если вам необходимо знать принцип работы мотора во всех подробностях – гугл вам в помощь. В сети масса документов, в том числе и на русском языке. Автор материала предлагает англоязычные ресурсы: [[1]] и [[2]].

Ротор вращается за счет взаимодействия магнитного поля, генерируемого обмотками ротора, и поля постоянных магнитов, при этом напряжение на обмотке изменяется синусоидально. Щетки коммутируют определенные обмотки в зависимости от положения ротора, таким образом, напряжение на выводах мотора всегда настолько максимально, насколько это возможно.

Это все теория. На практике магнитное поле не вполне однородно, щетки не коммутируют обмотки мгновенно и не вполне точно в момент, когда это необходимо делать. Это причина того, что мы не видим красивую кривую в виде половины синуса, как показано черным на рисунке выше.

К тому же щетки имеют тенденцию искрить, дополнительно зашумляя сигнал. Шум от искрения можно видеть на осциллограммах выше – это острые всплески сигнала.

Чтобы суметь определить напряжение генератора с максимально возможной точностью требуется фильтрация измеренного сигнала с целью очистки его от шума. Самый простой способ добиться этого – пропустить сигнал через низкочастотный R/C-фильтр. Он удалит шум от искрения и коммутации обмоток, оставив нам только волнообразный сигнал без резких всплесков. Наиболее предпочтительный метод заключается в поиске минимумов либо максимумов отфильтрованного сигнала. Что именно использовать – минимумы или максимумы – не так уж и важно: они оба зависят от скорости вращения ротора. Этот метод подразумевает, что должна быть определена полная волна, и только после этого напряжение генератора может быть измерено. Для того чтобы это условие выполнялось, время полного цикла управления мостом предпочтительно делать невысоким. По моему опыту, цикл в 10 мс дает хорошие результаты для всех моторов, которые я пробовал. Если скорость вращения выше 2000 оборотов в минуту и ротор двигателя имеет 3 полюса, то одна полная волна будет 5 мс длиной. Имеется тенденция, что большие моторы имеют меньшие обороты, но больше полюсов ротора.

Пример готового устройства

Как я уже говорил вначале, данные материалы описывают мой личный опыт, который я получил в процессе разработки и изготовления устройства «H-Bridge µModule» ([[3]]). Если вам интересно увидеть реализацию «в железе» некоторых из описанных в данном материале методов, посетите страничку данного модуля. Имейте ввиду, что в силу ограничений токоизмерительного операционного усилителя в данной схеме невозможна реализация метода управления «синхронное уменьшение». Кроме того, поскольку данная схема использует замер напряжения генератора для контроля скорости, управляющий код также не использует методы фиксированной противофазы и активного уменьшения поля. Эти методы могут быть реализованы, если не требуется обратная связь по ЭДС.