Reka Bentuk Pemacu Motor Jambatan-H Tanpa Litar Pintas Atas-Bawah

H-bridge kelihatan mudah pada skema: empat suis elektronik membalikkan voltan yang dikenakan pada motor DC. Namun, dalam sesebuah mesin, masalah reka bentuk yang berguna bukan sekadar menukar arah. Masalahnya ialah mengawal arus dengan selamat semasa permulaan, pembalikan arah, brek dan kerosakan, sambil menjauhkan hingar pensuisan pantas daripada I/O PLC dan litar perlindungan. Oleh itu, jambatan yang boleh dipercayai bergantung sama banyak pada pemasaan, laluan arus, perlindungan dan disiplin pentauliahan seperti pada empat peranti kuasa tersebut.

Perkara yang sebenarnya dikawal oleh empat suis

Motor disambungkan antara titik tengah dua kaki pensuisan. Menghidupkan peranti kiri atas dan kanan bawah mengenakan satu kekutuban; pepenjuru yang bertentangan mengenakan kekutuban terbalik. Modulasi lebar denyut mengubah voltan purata motor dan seterusnya mempengaruhi kelajuan, manakala tork motor kekal berkait rapat dengan arus angker. Jambatan ini juga boleh menghasilkan keadaan melahu dan membrek, tetapi tingkah laku tepatnya bergantung pada topologi peranti, pemacu get, kaedah PWM dan laluan susutan arus.

Beban bersifat induktif, jadi arus tidak boleh terhenti serta-merta apabila transistor dimatikan. Arus akan mengalir ke diod badan, diod luaran atau transistor yang dikawal secara aktif. Laluan pengedaran semula ini menentukan tekanan voltan, susutan arus, haba dan tindak balas brek. Pereka bentuk hendaklah menganalisis arah arus dalam setiap keadaan yang diarahkan dan semasa setiap peralihan pensuisan, bukannya bergantung pada jadual kebenaran semata-mata.

Pensuisan terus ialah kegagalan pemasaan

Arahan yang paling merosakkan bukanlah maju berbanding undur. Sebaliknya, ia berlaku apabila peranti atas dan bawah dalam kaki yang sama dihidupkan serentak. Keadaan ini menghasilkan laluan berimpedans rendah merentasi bas DC, yang lazimnya dipanggil pensuisan terus. Pertindihan yang singkat sekalipun boleh menghasilkan arus yang dihadkan terutamanya oleh rintangan semikonduktor, impedans bas dan kearuhan pendawaian.

Pemacu get biasanya memasukkan masa mati supaya satu peranti dimatikan sepenuhnya sebelum pasangannya dihidupkan. Tempoh yang diperlukan bukanlah nilai sejagat. Ia mesti meliputi ketidakpadanan kelewatan perambatan, cas get, kesan suhu, kekuatan pemacu dan tingkah laku pensuisan MOSFET atau IGBT yang dipilih. Masa mati yang berlebihan juga tidak diingini kerana arus berada lebih lama dalam laluan diod, lalu meningkatkan kehilangan dan memesongkan kawalan kitar tugas rendah. Nilai yang betul diperoleh daripada data komponen dan pengukuran osiloskop pada voltan bas, arus beban dan suhu yang mewakili keadaan sebenar.

Saling kunci perisian tegar berguna, tetapi perlindungan tidak sepatutnya bergantung pada kod aplikasi semata-mata. Masa mati yang dikuatkuasakan perkakasan, kunci keluar voltan rendah, pemacuan get terkawal dan tindak balas arus lampau pantas mewujudkan halangan bebas. PLC boleh mengeluarkan rujukan pengaktifan, arah dan kelajuan, tetapi tidak sepatutnya memacu get transistor kuasa secara langsung.

Pilih strategi pensuisan berdasarkan mesin

Kawalan magnitud bertanda menggunakan satu isyarat untuk arah dan satu lagi untuk PWM. Kawalan antasa terkunci menukar kekutuban jambatan dengan pantas dan mewakili arahan sifar hampir pada kitar tugas 50 peratus. Setiap kaedah mengubah arus riak, tingkah laku akustik, tindak balas brek dan akibat kerosakan arahan. Dokumentasi pengawal dan jambatan mestilah sepadan dengan antara muka yang dijangka.

Frekuensi PWM juga merupakan kompromi kejuruteraan. Menaikkannya boleh mengalihkan hingar boleh dengar ke atas julat yang paling sensitif dan mengurangkan riak arus, tetapi meningkatkan kehilangan pensuisan serta keperluan pemacuan get. Frekuensi lebih rendah mengurangkan kehilangan pensuisan, namun boleh meningkatkan riak tork dan hingar. Kearuhan motor, kehilangan peranti pensuisan, penyejukan yang tersedia, lebar jalur gelung arus dan keserasian elektromagnet hendaklah menentukan pilihan.

Bagi mesin yang lebih besar atau motor AC, pemacu industri bersepadu biasanya lebih sesuai berbanding H-bridge diskret. Koleksi pemacu dan kawalan gerakan kedai ini menunjukkan kelas peralatan yang lebih luas yang menggabungkan penukaran kuasa, maklum balas, perlindungan dan diagnostik. H-bridge kekal berguna untuk motor DC berberus, penggerak, injap, penghantar kecil dan mekanisme makmal apabila had elektrik dan fungsinya difahami.

Bina perlindungan berdasarkan mod kegagalan yang boleh diukur

Pengehadan arus mesti bertindak cukup pantas untuk melindungi semikonduktor, bukan sekadar melaporkan penggera PLC selepas kerosakan berlaku. Perintang pirau, penderia Hall atau penguat pengesan arus boleh menyokong pengehad kitar demi kitar dan pemutusan penyeliaan yang lebih perlahan. Ambang perlindungan hendaklah merangkumi arus gerai motor, tempoh permulaan, senario kesesakan mekanikal dan kawasan operasi selamat suis.

Bas DC juga memerlukan tindak balas yang ditentukan terhadap tenaga yang dijana semula. Nyahpecutan pantas atau beban yang memacu balik boleh mengembalikan tenaga ke bekalan dan menaikkan voltan bas. Bergantung pada sistem, penyelesaiannya mungkin bekalan yang boleh menyerap tenaga, elemen brek, pengapit atau tanjakan nyahpecutan yang lebih panjang. Kapasitans pukal semata-mata bukan bukti bahawa bas selamat.

Perlindungan suhu hendaklah berdasarkan titik panas yang mungkin berlaku: simpang pensuisan, pirau arus, penyambung, jejak kuprum dan motor itu sendiri. Penderia suhu papan mungkin terlepas kejadian semikonduktor yang pantas, manakala pengehad arus tidak dapat mengesan setiap kegagalan penyejukan. Anggaran terma hendaklah merangkumi kehilangan pengaliran, kehilangan pensuisan, pengaliran diod semasa masa mati dan suhu ambien kepungan.

Susun atur ialah sebahagian daripada litar kuasa. Pastikan gelung pensuisan arus tinggi pendek, letakkan penyahgandingan setempat berdekatan jambatan, asingkan pulangan kuasa daripada pulangan pengukuran sensitif dan halakan isyarat get jauh daripada nod dv/dt tinggi. Pelindung kabel, laluan mod sepunya dan pembumian memerlukan perhatian setiap kali kabel motor keluar dari kepungan. Pustaka Pengetahuan menyediakan amalan pentauliahan berkaitan, tetapi gelung kuasa setempat jambatan mestilah stabil dengan sendirinya terlebih dahulu.

Jalankan pentauliahan secara berperingkat

1. Buktikan logik tanpa tenaga motor

Sahkan kekutuban pengaktifan, arahan arah, had PWM dan penguncian kerosakan dengan peringkat kuasa dinyahaktifkan atau dibekalkan daripada sumber voltan rendah yang dihadkan arus. Pastikan permulaan, tamat masa pengawas, kehilangan komunikasi dan tetapan semula pengawal semuanya menghasilkan keadaan selamat yang dikehendaki.

2. Perhatikan kedua-dua get dalam satu kaki

Gunakan prob pembeza yang mempunyai kadar yang sesuai serta amalan pengasingan yang betul. Sahkan masa mati semasa penghidupan dan pematian, termasuk ketika perubahan arah dan pemulihan kerosakan. Jangan anggap bahawa dua isyarat logik yang bersih menjamin bentuk gelombang get transistor yang selamat.

3. Sambungkan motor dengan had konservatif

Mulakan dengan voltan bas rendah, kitar tugas terhad dan had arus di bawah kadaran berterusan peranti. Rekodkan voltan bas, arus motor, bentuk gelombang nod pensuisan dan suhu. Periksa operasi tanpa beban sebelum mengenakan beban mekanikal.

4. Uji keadaan luar biasa secara sengaja

Simulasikan aci yang terhenti hanya dalam pelan ujian terkawal, putuskan sumber arahan, ganggu maklum balas dan uji tingkah laku henti kecemasan. Sahkan bahawa jambatan tidak boleh dimulakan semula secara tidak dijangka apabila kuasa atau komunikasi kembali. Pembalikan arah hendaklah menggunakan nyahpecutan atau ambang arus yang ditentukan, bukannya pertukaran kekutuban serta-merta ketika motor sedang bergerak.

5. Sahkan kepungan akhir

Ulangi pemeriksaan terma dan elektromagnet dengan pendawaian, panjang kabel, bekalan dan pengudaraan pengeluaran. Kejayaan di meja uji dengan wayar pendek dan aliran udara terbuka tidak mewakili kabinet industri tertutup.

Gunakan pengukuran untuk memuktamadkan reka bentuk

Reka bentuk H-bridge yang baik menukarkan keadaan pensuisan kepada bukti: masa mati yang diukur, arus yang terkawal, tingkah laku voltan bas yang diketahui, tindak balas kerosakan yang boleh diramal dan kenaikan suhu yang boleh diterima. Nota aplikasi pemacu motor H-bridge rasmi Texas Instruments ialah rujukan berguna untuk laluan arus dan tingkah laku pemacuan, tetapi had khusus komponen tetap ditentukan oleh dokumentasi pemacu dan transistor yang dipilih.

Batas praktikalnya jelas. H-bridge ialah peringkat kuasa, bukannya fungsi keselamatan lengkap, pengawal gerakan atau sistem perlindungan motor. Apabila jurutera mengasingkan tanggungjawab tersebut, saling mengunci arahan dalam perkakasan dan perisian serta menjalankan pentauliahan dengan tenaga terhad, litar yang kelihatan mudah ini menjadi subsistem industri yang boleh dikawal.