回收直流電機驅(qū)動中的能量

當使永磁電機驅(qū)動器中的運動質(zhì)量減速時，存儲在機械系統(tǒng)中的能量可以通過電機驅(qū)動器返回到電源。如果沒有正確考慮這種能量，它可能會導致電源電壓升高，從而損壞電機驅(qū)動器或系統(tǒng)的其余部分。

當使永磁電機驅(qū)動器中的運動質(zhì)量減速時，存儲在機械系統(tǒng)中的能量可以通過電機驅(qū)動器返回到電源。如果沒有正確考慮這種能量，它可能會導致電源電壓升高，從而損壞電機驅(qū)動器或系統(tǒng)的其余部分。

在本文中，我們將研究安全消散這種能量的方法。為了簡化示例，顯示了直流有刷電機。這也適用于無刷電機系統(tǒng)。

能量守恒

能量守恒是物理學的一個基本原理——能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。

當某物（例如質(zhì)量塊）移動或旋轉(zhuǎn)時，它會積累動能。在電機系統(tǒng)中，動能來自為電機提供電能的電源，電機產(chǎn)生扭矩以加速質(zhì)量。

電機轉(zhuǎn)子的慣性以及與電機相連的機械系統(tǒng)中都存儲有能量。為簡單起見，將機械系統(tǒng)設想為耦合到電機軸的飛輪（圖 1）。

圖 1機械系統(tǒng)的飛輪示例

動能可以用 Iω2 計算，其中 I 是轉(zhuǎn)動慣量，ω 是角速度。速度越高或慣性越大，儲存的能量就越多。

這是一個非常明顯的概念——需要能量才能使某物移動。不太明顯的是當你想停止運動時會發(fā)生什么。要停止或減慢運動質(zhì)量，必須將儲存的動能轉(zhuǎn)移到某個地方。但是哪里？

當您斷開旋轉(zhuǎn)電機的電源時，存儲在運動質(zhì)量中的能量會耗散到系統(tǒng)的機械損耗中。由于摩擦，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱量（圖 2）。除非有很大的摩擦力，否則電機會非常緩慢地滑行停止。電機變成發(fā)電機，但由于沒有電流流過的路徑，因此沒有電磁轉(zhuǎn)矩來幫助停止電機。

圖 2停止電機中的摩擦

如果通過短路電機的輸出為電流從該發(fā)電機流出提供路徑，則電流會產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩（圖 3）。這會導致電機快速停止。在這種情況下，能量大部分以熱量的形式在電機的繞組電阻和電流路徑中的任何電阻中耗散，從而使電機短路。

圖 3扭矩與旋轉(zhuǎn)相反

這有時被稱為“短剎車”。實際上，短路通常是通過打開 H 橋的低側(cè) MOSFET 來提供電流路徑來實現(xiàn)的。

當控制系統(tǒng)想要快速降低電機速度時，施加到電機的電流極性會反轉(zhuǎn)以提供與運動相反的扭矩。完成后，存儲的動能可以通過電機驅(qū)動電路驅(qū)動回電源。

如果電源是一塊完美的電池，那么能量就會流回電池并被回收利用。然而，在現(xiàn)實世界中，電源通常是直流電源，除非專門設計這種電源，否則直流電源只能提供電流。因為它不能吸收電流，所以能量必須流向的地方是進入作為電源一部分的電容。

電容器中存儲的能量可以用 CV2 計算，其中 C 是電容，V 是電壓。隨著能量流入電容器，電容器兩端的電壓必須增加（圖 4）。

圖 4 隨著能量的增加而增加電容器電壓

如果能量很小（要么速度低，要么慣性小），那么電壓增加可能足夠小，不會引起任何問題。但是，在某些情況下，如果能量過多或電容不足，電壓可能會上升到破壞性水平。這可能會損壞電機驅(qū)動電路或連接到同一電源的其他電路。

消散能量

有幾種方法可以處理回收回電源的能量。一種是在電源上放置大量電容。在某些情況下，這可能就是所需要的全部，但在大多數(shù)情況下，由于物理或成本限制，大電容器并不實用。

另一種處理能量的方法是在電源兩端使用半導體鉗位器件，例如 TVS 或齊納二極管（圖 5）。鉗位設計為在剛好高于電源的正常工作電壓時發(fā)生故障。當回收能量導致電壓升高時，鉗位器會發(fā)生故障并保護系統(tǒng)。返回電源的能量在鉗位裝置中以熱量的形式消散。

如果能量適中，則此解決方案簡單易行。

圖5 用于耗散能量的半導體鉗位

在較大的系統(tǒng)中，使用簡單的鉗位通常是不切實際的，因為需要耗散的能量太大。在這些情況下，可以使用有源鉗位電路將能量耗散到電阻負載中。

圖6 用于耗散能量的有源電路鉗位

鉗位電路通過使用比較器或類似電路監(jiān)控電源電壓來工作（圖 6）。如果電壓超過預設閾值（剛好高于正常工作電壓），負載電阻器會在電源兩端切換以耗散能量。