H型電橋控速原理及其改進

燕 雨

(西南交通大學，四川 成都 611756)

0 引言

直流電機以其良好的適應能力和便捷的受控能力，在電力拖動系統(tǒng)中得到了較為廣泛的運用。直流電動機具有良好的啟、制動性能，而且可以在較大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，因此，在軋鋼設(shè)備、礦井升降設(shè)備、挖掘鉆探設(shè)備、金屬切削設(shè)備、造紙設(shè)備、電梯等需要高性能可控制電力拖動的場合得到了廣泛的應用。

對于直流電機轉(zhuǎn)速控制的研究，本質(zhì)是對其影響因素的研究。根據(jù)直流電機的轉(zhuǎn)速公式

式中:U為電樞電壓;I是電樞電流;R是電樞回路的電阻;L為電樞回路的電感;Φ是勵磁磁通;K是感應電動勢常數(shù)

由上式可知，調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法一般有以下幾種:其一，改變電樞供電電壓U;其二，改變勵磁磁通Φ;其三，改變電樞回路電阻R。

1 常用的H電橋控速電路及其原理

H電橋控速電路在脈寬調(diào)制變換器(PWM—Pluse Width Modulaton)中屬于雙極式可逆式脈寬調(diào)制變換器，其工作原理大致如下:

如圖1共四個NPN管，其將驅(qū)動電壓分為兩組，Q1和Q4同時導通或截止;Q2和Q3同時導通和截止。

圖1 常用的H電橋控制電路

假設(shè)電機為正向轉(zhuǎn)動，當0≤t＜ton時，Q1和Q4兩端電壓為正，則在此時Q1和Q4處于導通狀態(tài);而Q2和Q3兩端電壓為負，為截止狀態(tài)。電樞電流I從電源Vcc流經(jīng)三極管Q1，之后通過電機，流經(jīng)三極管Q4后到達地線。由此可以得出:此時，電機兩端電壓U=+V cc。

當ton≤t＜T時，Q1和Q4兩端電壓變?yōu)樨?，處于截止狀態(tài);這里應注意，Q2和Q3端電壓在此時雖然變?yōu)檎?，但ton≤t＜T和0≤t＜ton這兩種情況并不完全相反，當ton≤t＜T時，Q2和Q3不會馬上處于導通狀態(tài)，而是在電機電樞電感L向電源Vcc釋放能量的作用下，電流I流經(jīng)Q2和Q3形成續(xù)流回路，又有Q2和Q3處于導通狀態(tài)，I反向增加，到一個周期末，也就是t=T時I達到反向最大值，這期間電機端電壓U=－Vcc。

當電機反向運轉(zhuǎn)時，情況剛好相反，這里不再贅述。由以上分析可得:式中:ton為S閉合時間;T為總周期為占空比(ρ∈［0，1］)

因此可以得到:ρ＞0.5時，電機正轉(zhuǎn);ρ＜0.5時，電機反轉(zhuǎn);ρ=0.5時，電機停止。

從原理中我們可以看出，其之所以能夠得到廣泛的運用，是由于以下幾個突出優(yōu)點:

(1)電流連續(xù);

(2)可以使電機在四個象限工作;

(3)電機停止時有微振電流，可以消除靜摩擦死區(qū);

(4)低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍可達1∶20000;

(5)低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。

但是，在實驗中，發(fā)現(xiàn)其也有著一定的局限性。

在通常的H型電橋中我們可以看出，要使電機正常地在四個象限內(nèi)工作，必須要使對角線的三極管同時導通，才能實現(xiàn)電機的正常運作。這就需要在兩個端口同時加上同步性相對較高的PWM信號，因此一般是采取并聯(lián)的做法，但是這種做法卻存在著一定問題。眾所周知，為了方便調(diào)節(jié)占空比ρ，一般采用數(shù)控，雖然三極管基極電流(驅(qū)動電流)較小，但若是控制許多電機同時工作，也會造成驅(qū)動電流總和過大，極有可能損害IO接口，從而對CPU造成一定的損壞。為此，在不對IO接口進行改造的前提下，我們引出只針對外圍電路的改進方案。

2 改進的H電橋控速電路及其原理

本方案相對于通常H電橋來講，其優(yōu)勢在于，它只驅(qū)動H型電橋的兩個三極管，兩個三極管的控制電流轉(zhuǎn)化為電源輸出電流的一部分。這樣所需要理論驅(qū)動電流大小可以減半，從而變向增加數(shù)控CPU帶負載電機的可靠性。

在電路圖中可以看出，在H橋中，Q1和Q4的基極通過R3和R4分別連接到Q3和Q2的集電極上。在電機正向運轉(zhuǎn)時，三極管Q2導通，通過三極管Q2—二極管D6—電阻R4這條路線使Q4基極處于較低電平，使得 Q4導通，從而形成 Vcc—Q4—電機—Q2—GND的回路，使得電機正向轉(zhuǎn)動。

圖2 改進后的H型電橋控制電路

應注意一點，二極管D5、D6的加入是很有必要的。就以上電機正轉(zhuǎn)的情況舉例，當Q4導通后，D5的存在保證了Q1處于截止狀態(tài)。對于電阻R1、R2、R5和R7，它們的存在增加了它們相應三極管的開關(guān)速度，而電阻R6和R8則能有效控制數(shù)控CPU的輸出高電平帶來的大電流。

也就是說，當 Q2端接收到不同占空比 ρ的PWM波信號時，電動機兩端的電壓，Ud=(2ρ－1)US，其中:US≈Vcc－2Vce。

當然目前市場上有很多H型電橋內(nèi)置芯片，原理上也可以在其引腳上接相應元件達到改進目的。隨著科技的發(fā)展，在開關(guān)電路中三極管的運用逐漸被CMOS管取代，因此也可以將電路圖中的三極管改為CMOS管，經(jīng)檢測其驅(qū)動電流將變得更小，而且開關(guān)速度和開關(guān)頻率均得到了一定的提高，其原理大致與三極管相同，在這里就不一一贅述了。

［1］熊永前，陳喬夫，辜承林.電機學(第三版)［M］.武漢:華中科技大學出版社，2010.

［2］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)(第三版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.