直流电机驱动器中的能量回收

当在永磁电动机驱动器中减速移动质量时，可以通过存储在机械系统中的能量返回电机驾驶员到电源。如果这种能量未被正确考虑，则可能导致电源电压的增加导致电机驱动器或系统的其余部分损坏。

在这篇文章中，我们将掌握能够安全地消散这种能量的方法。为了简化示例，示出了DC刷电机。这也适用于无刷电机系统。

能量守恒是物理 - 能量的基本原则，不能创造也不摧毁。

当某物(如质量)移动或旋转时，它积累了动能。在电机系统中，动能来自于一个动力源，该动力源为电机提供电能，从而产生扭矩来加速质量。

在电动机转子的惯性中，还有能量储存，也可以在连接到电动机的机械系统中存储。为简单起见，设想机械系统作为耦合到电动机轴的飞轮（见图1）。

图1：机械系统的飞轮示例

图1：机械系统的飞轮示例

可以用½iω计算动能²，我是惯性矩，ω是角速度。速度越高或更惯性，能量越多。

这是一个非常明显的概念 - 它需要迈出的东西。什么是不太明显的是当你想要的时候会发生什么停止运动。停止或缓慢移动质量，所储存的动能必须去某个地方。但是哪里？

当您从纺丝电机断开电源时，存储在移动质量中的能量被耗散到系统中的机械损失中。由于摩擦，大部分能量变成了热量（见图2）。除非有大量的摩擦，距离电机沿着慢慢慢慢地停止。电机变成发电机，但由于没有电流的路径流动，因此没有电磁扭矩有助于停止电机。

图2：停止电机中的摩擦

如果为电流提供电流通过短路电机的输出而提供电流的路径，则电流会产生扭矩反对到旋转方向（见图3）。这使得电机快速停止。在这种情况下，能量在电动机的绕组电阻中并且在电流路径中的任何电阻中，能量大致被耗散为热量，而不是电流路径中的任何电阻。

图3：反对旋转的扭矩

这有时被称为“短刹车”。实际上，通过打开H桥的低端MOSFET来施加短路，以提供电流路径。

当控制系统想要快速降低电动机的速度时，施加到电动机的电流的极性被颠倒以提供与运动相反的扭矩。当这是这样的时，存储的动能可以通过电动机驱动电路向电源驱动。

如果电源是完美的电池，则能量将流回电池并再循环。但是，在现实世界中，电源通常是直流电源，除非本电源专门设计，否则直流电源只能源电流。因为它不能下滑，所以能量必须去的唯一位置是电源的一部分。

存储在电容器中的能量量可以用½CV计算²那其中C是电容，V是电压。电容器上的电压必须随着能量流入其中而增加（见图4）。

图4：随着能量增加而增加电容器电压

如果能量量很小（速度低或惯性小），则电压增加可能足够小，使其不会引起任何问题。然而，在某些情况下，如果能量过多或不足的电容，电压可能会升高到破坏性水平。这可能会损坏电机驱动电路或连接到相同电源的其他电路。

我们有几种方法可以处理正在回到电源的能量。一个是在电源上放置大量电容。在某些情况下，这可能是所需要的，但在大多数情况下，由于物理或成本约束，大电容器不实际。

处理能量的另一种方法是在电源中使用半导体钳位装置，例如TVS或齐纳二极管（见图5）。夹具设计用于在电源的正常工作电压上方分解。当回收的能量导致电压上升时，钳位打破并保护系统。返回电源的能量在夹具装置中作为热量散发。

如果能量量适度，则该解决方案简单且容易。

图5:用于耗散能量的半导体钳

在较大的系统中，使用简单的夹具通常是不实际的，因为需要消散的能量量太大。在这些情况下，可以使用有源钳位电路来将能量散到电阻负载中。

图6：用于消散能量的有源电路夹具

钳位电路通过使用比较器或类似电路监控电源电压（见图6.）。如果电压超过预设阈值（仅在正常工作电压上方），则在电源上切换负载电阻以消散能量。

本文提供了能量如何从机械系统从电机向电源反馈的高级概述，以及如何在电机驱动电子设备中处理。正确确定给定系统的组件值所需的数学超出本文的范围，但在应用笔记中提供了更多细节，包括用于电容和钳位组件的计算AN132“输入电容和过压保护电路设计”可用AT.hkjx8866.com.。

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