H-Brücken-Rückflug

Es tut mir leid, wenn diese Frage etwas lang ist, aber ich halte es hier für ratsam, den Stand der Technik, wie ich ihn kenne, zu erörtern, bevor ich die Frage stelle.

PROBLEM

Bei der Verwendung einer H-Brücke zum Antreiben einer bidirektionalen Spule eines Motors usw. hatte ich immer Bedenken, wie ich mit dem Rücklaufstrom am besten umgehen kann.

KLASSISCHES FLY-BACK

In der Regel wird die folgende Schaltung verwendet, bei der Sperrdioden über den Brückenschaltern ermöglichen, dass der in Grün dargestellte Ansteuerungsstrom wieder zur Stromversorgung zurückgeführt wird (in Rot dargestellt).

Ich hatte jedoch immer ernsthafte Bedenken hinsichtlich dieser Methode, insbesondere darüber, wie sich diese plötzliche Stromumkehr in der Versorgungsleitung auf den Spannungsregler und die Spannung an C1 auswirkt.

RECIRCULATION FLY-BACK

Eine Alternative zum Klassiker ist der Rücklauf. Diese Methode deaktiviert nur eines der Schalterpaare (niedrig oder hoch). In diesem Fall zirkuliert der rote Strom nur innerhalb der Brücke und verteilt sich in der Diode und dem Mosfet.

Diese Methode behebt natürlich die Probleme mit der Stromversorgung, erfordert jedoch ein komplexeres Steuersystem.

Der Stromabfall ist bei dieser Methode viel langsamer, da die an die Spule angelegte Spannung nur Diodenabfall + IR des On-Mosfet ist. Als solche ist es eine VIEL bessere Lösung gegenüber der klassischen Methode, während PWM zum Regeln des Stroms in der Spule verwendet wird. Um jedoch den Strom vor dem Umkehren zu löschen, ist er langsam und gibt die gesamte Energie in der Spule als Wärme in der Diode und dem Mosfet ab.

ZENER BYPASS

Ich habe auch die klassische Flyback-Methode gesehen, die geändert wurde, um die Versorgung zu isolieren und einen Zener-Bypass zu verwenden, wie hier gezeigt. Der Zener wird so gewählt, dass er eine deutlich höhere Spannung als die Versorgungsschiene aufweist, jedoch einen Sicherheitsabstand aufweist, der unter der maximalen Brückenspannung liegt. Wenn die Brücke geschlossen ist, wird die Rücklaufspannung auf diese Zenerspannung begrenzt, und der Rücklaufstrom wird durch D1 daran gehindert, zur Versorgung zurückzukehren.

Diese Methode behebt die Probleme mit der Stromversorgung und erfordert KEIN komplexeres Steuersystem. Es löscht den Strom schneller, da eine größere Gegenspannung an die Spule angelegt wird. Leider leidet es an dem Problem, dass fast die gesamte Spulenenergie als Wärme in den Zener abgegeben wird. Letzteres muss daher eine relativ hohe Leistung haben. Da der Strom schneller beendet wird, ist dieses Verfahren für die PWM-Stromregelung unerwünscht.

ENERGY RECYCLING ZENER BYPASS

Ich habe mit dieser Methode beachtliche Erfolge erzielt.

Diese Methode modifiziert die klassische Flyback-Methode, um die Versorgung mit D3 wieder zu isolieren. Statt nur mit einem Zener wird jedoch ein großer Kondensator hinzugefügt. Der Zener hat nur noch die Aufgabe zu verhindern, dass die Spannung am Kondensator die Nennspannung an der Brücke überschreitet.

Wenn die Brücke schließt, wird der Rücklaufstrom verwendet, um dem Kondensator Ladung zuzuführen, die normalerweise auf den Spannungsversorgungspegel aufgeladen wird. Wenn sich der Kondensator über die Schienenspannung auflädt, fällt der Strom in der Spule ab und die Spannung am Kondensator kann nur einen vorhersagbaren Wert erreichen. Bei korrekter Auslegung sollte sich der Zener niemals einschalten oder nur einschalten, wenn der Strom niedrig ist.

Der Spannungsanstieg am Kondensator löscht den Spulenstrom schneller.

Wenn der Strom aufhört zu fließen, wird die Ladung und die Energie, die sich in der Spule befand, auf dem Kondensator gefangen.

Beim nächsten Einschalten der Brücke liegt eine Spannung über der Schiene an. Dadurch wird die Spule schneller aufgeladen und die gespeicherte Energie wieder in die Spule zurückgespeist.

Ich habe diese Schaltung in einer von mir entworfenen Schrittmotorsteuerung verwendet und festgestellt, dass sie das Drehmoment bei hohen Schrittgeschwindigkeiten erheblich verbessert und es mir tatsächlich ermöglicht, den Motor erheblich schneller anzutreiben.

Diese Methode behebt die Probleme mit der Stromversorgung, erfordert KEIN komplexeres Steuersystem und gibt nicht viel Energie als Wärme ab.

Es ist wahrscheinlich immer noch nicht für die PWM-Stromregelung geeignet.

KOMBINATION

Ich habe das Gefühl, dass eine Kombination von Methoden sinnvoll sein kann, wenn Sie neben der Phasenkommutierung auch die PWM-Stromregelung verwenden. Die Verwendung der Umwälzmethode für den PWM-Teil und möglicherweise des Energierückgewinners für den Phasenschalter ist wahrscheinlich die beste Wahl.

WAS IST MEINE FRAGE?

Die oben genannten Methoden sind mir bekannt.

Gibt es bessere Techniken, um mit dem Rücklaufstrom und der Rücklaufenergie umzugehen, wenn eine Spule mit einer H-Brücke betrieben wird?

Möglicherweise könnten Sie einen Bremswiderstand mit einem Low-Side-Mosfet verwenden. Diese Methode wird häufig bei Wechselstrommotoren verwendet, bei denen die Stromversorgung (AC) die regenerative Energie nicht verarbeiten kann.

Besser LC-Filter verwenden und ESR von fundamental bis berücksichtigen$1/t_R$

Jede Versorgung hat einen niedrigen Zo-Wert bei Dc, aber der Zo-Wert steigt auf einen großen Wert an, was zu Lastregelungsfehlern führt, wenn die Bandbreite auf eins reduziert wird.

$f_{-3dB} = n/t_R$$n$

Die Impedanz der Caps bei einer Schaltfrequenz von z. B. 30 kHz und einer Anstiegszeit von 10 ns weist Harmonische von 300 MHz auf, die sich über 4 Jahrzehnte erstrecken und die die meisten Big Caps für ultraniedrige ESR-Werte verarbeiten können, sodass 3 Caps erforderlich sind. zB 1000 uF Alaun 10uf Tantal 0,1 uF Kunststoff

Die maximale Leistung hängt von Zc der Kappe und DCR und ZL (f) des Motors, RdsOn der MOSFETs und der Impedanz der Gleiskabel ab. Der Totzeitstrom muss während des Startvorgangs aufgenommen werden. DCR steht für Maximalstrom.

Der Clamp Avalanche Diode-Strompfad benötigt denselben Strom und Pfad wie der MOSFET-Schalter, um den Rücklaufimpuls während der Totzeit (~ 1us) der PWM zu absorbieren.

Sie können für jede Kappe einen Verlustfaktor <0,01 berechnen. vs 0.05

Für PWM-gesteuerte Gleichstrommotoren (mit Frequenzen im kHz-Bereich und höher) müssen wir uns mit der Gegen-EMK der Spule befassen , und ein Rücklauf ist die sinnvollste Option. Die ganze Idee ist, den Strom durch die Spule konstant zu halten, und ein niedriger Widerstand von offenen MOSFETs hilft sehr.

Übrigens möchten Sie beide oberen MOSFETs offen halten, da ein offener MOSFET als Diode einen viel geringeren Spannungsabfall aufweist. Das Verlassen auf Rücklaufdioden führt zu erheblichen Verlusten, und Zener / Widerstands-Bypässe verschlimmern dies nur.

Bei Konstantstrom-Motorsteuersignalen (mit viel niedrigeren Frequenzen) ist die Gegen -EMK des Motors der wichtigste Faktor, mit dem wir uns befassen müssen der als Generator zu wirken beginnt, der durch seine eigene Trägheit angetrieben wird. In diesem Fall bedeutet die Bereitstellung eines niederohmigen Pfads für den erzeugten Strom, dass Sie den Motor aktiv bremsen. Wenn Sie dies wünschen, können Sie den Rücklauf bis zu einem bestimmten Grenzwert verwenden, da die kinetische Energie von Ihren MOSFETs und Rücklaufdioden abgeleitet wird. Nach dieser Grenze müssten Sie einen Ballastwiderstand verwenden, um die Wärme abzuleiten.

Wenn Sie nicht aktiv bremsen möchten, verwenden Sie normalerweise einen Zener-Bypass. Es ist zu beachten, dass ein Gleichstrommotor mit Ausnahme von Sonderfällen (wie bei einem bergab fahrenden Elektroauto, bei dem die Reibung durch die einfallende mechanische Energie in den Hintergrund tritt) keine höhere Spannung erzeugen kann, mit der er gerade gefahren wurde. Der Zener wird also normalerweise nur zum Absorbieren der Gegen-EMK der Spule benötigt und sollte dann nicht mehr leiten. Es absorbiert nur Spulenenergie, nicht die kinetische Energie des Motors (die MOSFETs im Falle eines Rücklaufs ebenfalls absorbieren müssten).

Zener + -Kondensator ist eine gute Idee, aber nur, wenn Ihre MOSFETs auf eine deutlich höhere Spannung als die Schienenspannung ausgelegt sind und Sie es sich leisten können, Ihren Motor mit einer Spannung zu betreiben, die Sie nicht genau steuern.

Wie gehe ich am besten mit dem Rücklaufstrom um?

Das Problem ist, dass LDOs tendenziell unidirektionale Stromlieferanten sind (Emitter- oder Drain-Follower) und daher die Ausgangsimpedanz des Reglers den Stromkreis unterbricht und eine höhere Versorgungsspannung erzeugt, sofern die Energie nicht auf energieeffiziente Weise zurückgeführt wird.

Dies ist weniger ein Problem mit der Batterieleistung als vielmehr mit der Speicherung von Flyback-Energie.

Quellen des Rücklaufstroms:

1) Totzeit während der Kommutierung

• Die Umwälzung mit Schottky-Dioden auf die High-Side-Schiene mit PWM auf der Low-Side ist die traditionelle Lösung
• Die Umwälzung unter Verwendung von N-ch-Shunt-FETs über den High-Side-Schalter erfordert jedoch eine Bootstrap-Spannung, da die Gate-Spannung höher als V + sein muss. Dies ist eine teurere und dennoch mögliche niedrigere Wirkleistung, die in Treibern verschwendet wird, die jetzt für eine kurze Zeitdauer vom Motor aufgenommen werden. T = L / R .
  • Der VI-Abfall in beiden Fällen bestimmt die Verlustenergie während der L / R-Abfallzeit, T für E = V (t) * I (t) * T [Wattsekunden], wobei der Strom genauso beginnt wie vor der Kommutierung und dann auf Null abfällt und geht in die gleiche Richtung durch die Spule, während der Spannungsabfall die Polarität über dem Schalter umgekehrt hat. Das I (t) * ESR * Vf der Diode bestimmt den momentanen Leistungsverlust. Da dieses Diodenstrom-Tastverhältnis jedoch normalerweise während einer PWM-Periode niedrig ist, müssen die Nennströme gleich oder größer sein als der FET, der Wärmeanstieg hängt jedoch von der Temperatur ab Widerstand und Verhältnis des Spannungsabfalls von Diode zu FET vor und nach dem Schalten.
  • Wenn man einen synchronen Null-Tal-Resonanzschalter hat, kann es möglich sein, die Energie während des Ausschaltens in eine LC-Last zu übertragen, aber da es diskontinuierlich ist, ist es möglicherweise nicht einfach oder sogar möglich, die LC-Resonanzfrequenz mit der PWM-Kommutierungsrate zu synchronisieren Nullphasenverschiebung (Null-Tal-Schaltung)

2) Drehrichtung des Drehmoments ändern

• In diesem Modus wirkt der Motor als Generator für die gespeicherte Energie und wirkt als elektronische Bremse und stoppt dann.
• Der regenerative Modus impliziert, dass Sie etwas haben, in dem Sie die Energie speichern können, z. B. ein Ultracap oder eine Batterie, und funktioniert nicht mit einem LDO.
• Degenerativer Modus bedeutet, dass Sie die gespeicherte Energie im Generator abführen oder andere Schalter auf eine Dummy-Last schalten möchten.
• da dies eine viel höhere Rücklaufenergie ist als gespeicherter Strom in der Spuleninduktivität, da es eine Trägheit des Motors und der Last hat, um die gespeicherte kinetische Energie zu erzeugen.