直流电机驱动中的能量回收

由Pete Millett, Sr.技术营销工程师，单片电源系统

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介绍

当在永磁电机驱动中减速移动的质量时，储存在机械系统中的能量可能通过汽车司机连接电源。如果这个能量没有被正确的计算，它会引起电源电压的增加，从而对电机驱动器或系统的其他部分造成损害。

在这篇文章中，我们将看看如何安全地驱散这种能量。为了简化例子，我们展示了一个直流电刷电机。这也适用于无刷电机系统。

能量守恒

能量守恒是物理学的一个基本原理——能量既不能创造，也不能消灭。

当某物(如物体)移动或旋转时，它会积累动能。在电机系统中，这种动能来自于为电机提供电能的动力源，从而产生扭矩来加速质量。

能量既储存在电机转子的惯性中，也储存在附在电机上的机械系统中。为简单起见，可以将机械系统想象为与电机轴耦合的飞轮(请参见图1)。

图1:机械系统的飞轮例子

动能可以用½Iω计算²，其中I为转动惯量，ω为角速度。速度越高或惯性越大，储存的能量就越多。

这是一个非常明显的概念——让物体移动需要能量。不那么明显的是，当你想要移动时会发生什么停止的运动。要使移动的物体停止或减速，储存的动能必须到某个地方去。但是在哪里?

当你切断旋转电机的电源时，储存在移动质量中的能量会被耗散到系统中的机械损耗中。这些能量大部分由于摩擦而转化为热(参见图2)。除非有很大的摩擦，否则电动机滑行时停住的速度很慢。电机变成了发电机，但由于没有电流流动的路径，所以没有电磁帮助停止电机的扭矩。

图2:停止电机的摩擦力

如果通过缩短电机的输出，为电流从发电机流出提供了一条路径，电流就会产生转矩反对转向旋转方向(见图3)。这使马达迅速停下来。。在这种情况下，能量主要作为热量在电机的绕组电阻和电流路径上的任何电阻中被耗散，使电机短路。

图3:与旋转相对立的扭矩

这有时被称为“短制动”。在现实中，短路通常是通过打开h桥的低侧mosfet来提供电流路径。

当控制系统想要快速降低电机的速度时，应用到电机上的电流极性被逆转，以提供一个与运动相反的转矩。当这一过程完成时，储存的动能就可以通过电机驱动电路驱动返回到电源中。

如果电源是一个完美的电池，那么能量就会回流到电池中并被回收。然而，在现实世界中，电源通常是直流电源，除非这种电源是专门设计的，否则直流电源只能产生电流。因为它不能吸收电流，所以能量唯一要去的地方就是进入作为电源一部分的电容。

电容中储存的能量可以用½CV来计算²,其中C是电容，V是电压。当能量流入电容器时，穿过电容器的电压必须增加(见图4)。

图4:能量增加，电容电压增加

如果能量的量很小(要么速度低，要么惯性小)，那么电压的增加可能小到不会引起任何问题。但是，在某些情况下，如果能量过多或者电容不足，电压可能会上升到破坏性的水平。这可能会损坏电机驱动电路或连接到同一电源的其他电路。

消散的能量

我们有几种方法可以处理被回收回电源的能量。一种是在电源上放置大量的电容。在某些情况下，这可能是所有需要的，但在大多数情况下，由于物理或成本的限制，大电容是不实际的。

另一种处理能量的方法是在电源上使用半导体夹紧装置，如TVS或齐纳二极管(见图5)。夹具的设计是在刚好高于电源的正常工作电压时发生故障。当回收的能源导致电压上升时，钳就会击穿，保护系统。返回到电源的能量在夹钳装置中以热量的形式消散。

如果能量量适中，这个解决方法简单易行。

图5:用于耗散能量的半导体夹钳

在较大的系统中，使用简单的夹钳通常是不实用的，因为需要消耗的能量太大了。在这些情况下，可以使用有源箝位电路将能量耗散成电阻负载。

图6:用于耗散能量的有源电路钳

钳位电路通过使用比较器或类似电路监测供电电压工作(参见图6)。如果电压超过预设的阈值(刚好高于正常工作电压)，在电源上切换负载电阻以耗散能量。

结论

这篇文章提供了一个高层次的概述，关于能量如何从电机反馈到从机械系统的电源，以及如何在电机驱动电子中处理它。正确确定给定系统的元件值所需的数学超出了本文的范围，但更多的细节，包括电容和夹紧元件的计算，在应用说明中提供了AN132“输入电容和过压保护电路设计”可以在www.hkjx8866.com。

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