H-Bridge

Н-мостовой драйвер двигателя.

h bridge

Описание

Блок H-Bridge представляет собой H-мостовой драйвер двигателя. Блок имеет следующие два варианта режима моделирования:

PWM — в данном режиме выход блока H-Bridge представляет собой управляемое напряжение, которое зависит от входного сигнала на порте PWM (ШИМ). Если величина входного сигнала превышает значение параметра Enable threshold voltage, то напряжение на выходе H-Bridge имеет значение, равное параметру Output voltage amplitude. Если величина входного сигнала меньше значения параметра Enable threshold voltage, то блок поддерживает цепь нагрузки, используя один из трех следующих вариантов Freewheeling mode:
- Via one semiconductor switch and one freewheeling diode
- Via two freewheeling diodes
- Via two semiconductor switches and one freewheeling diode
Первый и третий варианты иногда называют синхронным режимом работы.

Сигнал на порту REV определяет полярность выхода. Если значение сигнала на порту REV меньше значения параметра Reverse threshold voltage, то выход имеет положительную полярность, в противном случае — отрицательную.
Averaged — в этом режиме возможны два варианта характеристик тока нагрузки:
- Smoothed
- Unsmoothed or discontinuous
В варианте Smoothed предполагается, что ток практически непрерывен из-за индуктивности нагрузки. В этом случае выход блока H-Bridge имеет вид:

где:
- — значение параметра Output voltage amplitude, В.
- — значение напряжения на порту PWM, В.
- — значение параметра PWM signal amplitude, В.
- — значение выходного тока, А.
- — параметр Bridge on resistance, Ом.
Ток будет плавным, если частота ШИМ достаточно велика. Синхронный режим работы, при котором свободное колебание осуществляется через мостовое плечо обратно в источник питания, также способствует сглаживанию тока. Для случаев, когда ток негладкий или, возможно, прерывистый (т.е. между циклами ШИМ он обращается в ноль), используйте опцию Unsmoothed or discontinuous. Для этой опции необходимо также указать значения Load total series resistance, Load total series inductance и PWM frequency. В процессе моделирования блок использует эти значения для расчета более точного значения выходного напряжения H-моста, при котором достигается тот же средний ток, что и при моделировании в режиме ШИМ.

Для ускорения моделирования при управлении блоком H-Bridge с помощью блока Controlled PWM Voltage установите для параметра Simulation mode значение Averaged. Параметр Simulation mode блока Controlled PWM Voltage также должен быть установлен в режим Averaged. В этом случае к двигателю применяется среднее значение требуемого ШИМ-напряжения. Точность результатов моделирования в Averaged зависит от правильности принятого вами предположения о токе нагрузки. Если вы укажете, что ток является не сглаженным или прерывистым, то точность также зависит от того, насколько демонстративны значения сопротивления и индуктивности нагрузки. В этом режиме также делаются некоторые упрощающие предположения о базовых уравнениях для случая, когда ток является прерывистым. Для типичных параметров двигателя и моста точность должна быть в пределах нескольких процентов. Для проверки точности режима Averaged запустите моделирование в режиме ШИМ и сравните результаты с результатами, полученными в режиме Averaged.

Режим торможения включается, когда напряжение, подаваемое на порт BRK, превышает пороговое напряжение торможения Braking threshold voltage. Независимо от режима ШИМ или усреднения, в режиме торможения Н-мост моделируется последовательной комбинацией двух сопротивлений и , где:

— сопротивление одного плеча моста, то есть половина значения параметра Total bridge on resistance.
— сопротивление одного плеча моста параллельно с сопротивлением диода, то есть , где — сопротивление диода.

Допущения и ограничения

При линеаризации модели установите для параметра Simulation mode значение Averaged и убедитесь, что правильно указали рабочую точку. Линеаризация блока H-Bridge возможна только для рабочих циклов, которые больше нуля и меньше амплитуды ШИМ-сигнала. Если требуется линеаризация при нулевом рабочем цикле и если контроллер всегда использует режим рекуперативного торможения, установите для параметра Regenerative braking значение Always enabled (suitable for linearization).
В режиме Averaged и при выборе параметра Unsmoothed or Discontinuous для характеристики тока нагрузки необходимо предоставить значения индуктивности и сопротивления нагрузки. Если речь идет о двигателе постоянного тока, то сопротивление — это сопротивление якоря, а индуктивность — это сумма индуктивности якоря и последовательного сглаживающего дросселя (если он есть). Для универсального двигателя общее сопротивление равно сумме сопротивлений обмоток якоря и возбуждения, а общая индуктивность равна сумме индуктивностей якоря и возбуждения с прибавлением сглаживающей индуктивности последовательной обмотки. Для шунтового двигателя Engee рекомендует построить эквивалентную схему Тевенина, чтобы определить соответствующие значения.

Порты

Ненаправленные

+ — порт подключения положительной нагрузки
электричество

Электрический порт, связанный с положительным контактом нагрузки.

− — порт подключения отрицательной нагрузки
электричество

Электрический порт, связанный с отрицательным контактом нагрузки.

PWM — широтно-импульсный модулированный сигнал (ШИМ-сигнал)
электричество

Порт электрического напряжения, связанный с сигналом широтно-импульсной модуляции. Напряжение определяется относительно порта REF.

REF — порт референсного напряжения
электричество

Электрический порт, связанный с опорным нулевым напряжением.

REV — REV
электричество

Электрический порт, связанный с напряжением, которое управляет изменением полярности выхода блока H-Bridge. Напряжение определяется относительно порта REF.

BRK — BRK
электричество

Электрический порт, связанный с напряжением, которое управляет моментом замыкания выхода блока H-Bridge. Напряжение определяется относительно порта REF.

Параметры

Режим моделирования и допущения по нагрузке

Simulation mode — режим моделирования
PWM (по умолчанию) | Averaged

Выберите один из следующих вариантов типа выходного напряжения:

PWM — выходное напряжение представляет собой сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Это вариант по умолчанию.
Averaged — выходное напряжение представляет собой постоянную величину, значение которой равно среднему значению ШИМ-сигнала.

Freewheeling mode — режим свободного хода
Via one semiconductor switch and one freewheeling diode (по умолчанию) | Via two freewheeling diodes | Via two semiconductor switches and one freewheeling diode

Выберите один из следующих вариантов типа схемы рассеяния Н-моста:

Via one semiconductor switch and one freewheeling diode — в этом режиме блок управляет нагрузкой, поддерживая одно плечо моста с верхней стороны постоянно включенным и используя ШИМ-сигнал для модуляции соответствующего плеча моста с нижней стороны. Это означает, что при выключении моста блок использует только один из шунтирующих диодов для завершения цепи рассеяния. Этот вариант используется по умолчанию.
Via two freewheeling diodes — в этом режиме все плечи моста выключены в выключенном состоянии. Это означает, что блок рассеивает ток нагрузки через источник питания с помощью двух шунтирующих диодов.
Via two semiconductor switches and one freewheeling diode — в этом режиме блок управляет нагрузкой, поддерживая одно плечо моста с верхней стороны постоянно включенным и используя ШИМ-сигнал для переключения между включением соответствующего плеча моста с нижней стороны и противоположного плеча моста с верхней стороны. Это означает, что для завершения цепи рассеяния при выключении моста используется диод, включенный параллельно плечу моста, а также еще одно последовательное плечо моста.

Зависимости

Этот параметр используется только при выборе PWM для параметра Simulation mode или при выборе значения Averaged для параметра Simulation mode и значения Unsmoothed or discontinuous для параметра Load current characteristics.

Regenerative braking — рекуперативное торможение
Depends on REV flag and current sign (по умолчанию) | Always enabled (suitable for lianerization)

Выберите один из следующих вариантов типа схемы рассеяния H-моста:

Depends on REV flag and current sign — эта опция используется по умолчанию.
Always enabled (suitable for lianerization) — эта опция может быть использована, когда контроллер всегда устанавливает флажок REV для обеспечения рекуперативного торможения. Это полезно, если необходимо линеаризовать модель для целей управления, чтобы убедиться, что H-мост линеаризуется вблизи нулевого рабочего цикла.

Зависимости

Этот параметр используется только при выборе значения Averaged для параметра Simulation mode.

Load current characteristics — характеристики тока нагрузки
Smoothed (по умолчанию) | Unsmoothed or discontinuous

Выберите один из следующих вариантов типа тока нагрузки:

Smoothed — предполагается, что ток практически непрерывен из-за индуктивности нагрузки. Эта опция используется по умолчанию.
Unsmoothed or discontinuous — этот вариант используется для случаев, когда ток является негладким или, возможно, прерывистым (то есть между циклами ШИМ он обращается в ноль). Для этой опции необходимо также задать параметры Load total series resistance, Load total series inductance и PWM frequency. В процессе моделирования блок использует эти значения для расчета более точного значения выходного напряжения H-моста, при котором достигается такой же средний ток, как и при моделировании в режиме ШИМ.

Зависимости

Этот параметр используется только при выборе значения Averaged для параметра Simulation mode.

Load total series resistance — полное последовательное сопротивление нагрузки
10 Ом (по умолчанию)

Полное последовательное сопротивление нагрузки, воспринимаемое H-мостом.

Зависимости

Данный параметр отображается только при выборе значения Averaged для параметра Simulation mode и Unsmoothed or discontinuous для параметра Load current characteristics.

Load total series inductance — общая последовательная индуктивность нагрузки
1e-5 Гн (по умолчанию)

Общая последовательная индуктивность нагрузки, воспринимаемая Н-мостом. Помимо индуктивности двигателя, необходимо включить любую последовательную индуктивность, добавляемую снаружи двигателя для выравнивания тока.

Зависимости

PWM frequency — частота ШИМ
10000 Гц (по умолчанию)

Частота ШИМ, на которой управляется Н-мост. Для согласованности это значение должно совпадать с частотой ШИМ, заданной блоком Controlled PWM Voltage, управляющим блоком H-моста.

Зависимости

Freewheeling diode off-state conductance — проводимость шунтирующего диода в выключенном состоянии
1e-6 См (по умолчанию)

Проводимость диода с обратным подводом.

Зависимости

Этот параметр используется только при выборе значения Averaged для параметра Simulation mode и Depends on REV flag and current sign для параметра Regenerative braking.

Входные пороговые значения

Enable threshold voltage — пороговое напряжение включения
2,5 В (по умолчанию)

Порог, выше которого должно подняться напряжение на порте PWM, чтобы включить выход блока H-Bridge.

Зависимости

Этот параметр используется, если для параметра Simulation Mode и Simulation Mode & Load Assumptions установлено значение PWM.

PWM signal amplitude — амплитуда ШИМ-сигнала
5.0 В (по умолчанию)

Амплитуда сигнала на входе ШИМ.

Зависимости

Блок H-Bridge использует этот параметр только в том случае, если параметр Simulation mode на вкладке Simulation Mode & Load Assumptions имеет значение Averaged.

Reverse threshold voltage — обратное пороговое напряжение
2.5 В (по умолчанию)

Когда напряжение на порте REV превышает этот порог, то полярность выхода становится отрицательной.

Braking threshold voltage — пороговое напряжение торможения
2,5 В (по умолчанию)

Когда напряжение на порте BRK превышает этот порог, выходные выводы блока H-Bridge замыкаются через следующую серию устройств:

Одно плечо моста.
Одно плечо моста параллельно с проводящим диодом свободного хода.

Параметры моста

Output voltage amplitude — амплитуда выходного напряжения
12 В (по умолчанию)

Амплитуда напряжения на выходных портах блока H-Bridge при включенном выходе.

Total bridge on resistance — полное сопротивление моста
0.1 Ом (по умолчанию)

Суммарное эффективное сопротивление двух полупроводниковых коллекторов, подключающих нагрузку к двум шинам питания, когда напряжение на порту PWM превышает значение параметра Enable threshold voltage в группе параметров Input Thresholds.

Freewheeling diode on resistance — сопротивление шунтирующего диода
0.05 Ом (по умолчанию)

Суммарное сопротивление шунтирующих диодов, которые рассеивают ток, протекающий через двигатель, когда напряжение на порту PWM меньше значения параметра Enable threshold voltage в группе параметров Input Thresholds.

Примеры

Модель работы привода c двигателем постоянного тока