回收直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的能量

當(dāng)使永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減速時(shí)，存儲(chǔ)在機(jī)械系統(tǒng)中的能量可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器返回到電源。如果沒(méi)有正確考慮這種能量，它可能會(huì)導(dǎo)致電源電壓升高，從而損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或系統(tǒng)的其余部分。

當(dāng)使永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減速時(shí)，存儲(chǔ)在機(jī)械系統(tǒng)中的能量可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器返回到電源。如果沒(méi)有正確考慮這種能量，它可能會(huì)導(dǎo)致電源電壓升高，從而損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化示例，顯示了直流有刷電機(jī)。這也適用于無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)。

能量守恒

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

當(dāng)某物（例如質(zhì)量塊）移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)積累動(dòng)能。在電機(jī)系統(tǒng)中，動(dòng)能來(lái)自為電機(jī)提供電能的電源，電機(jī)產(chǎn)生扭矩以加速質(zhì)量。

電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性以及與電機(jī)相連的機(jī)械系統(tǒng)中都存儲(chǔ)有能量。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將機(jī)械系統(tǒng)設(shè)想為耦合到電機(jī)軸的飛輪（圖 1）。

圖 1機(jī)械系統(tǒng)的飛輪示例

動(dòng)能可以用 Iω2 計(jì)算，其中 I 是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω 是角速度。速度越高或慣性越大，儲(chǔ)存的能量就越多。

這是一個(gè)非常明顯的概念——需要能量才能使某物移動(dòng)。不太明顯的是當(dāng)你想停止運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么。要停止或減慢運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，必須將儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)移到某個(gè)地方。但是哪里？

當(dāng)您斷開(kāi)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電源時(shí)，存儲(chǔ)在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量中的能量會(huì)耗散到系統(tǒng)的機(jī)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(jī)會(huì)非常緩慢地滑行停止。電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，但由于沒(méi)有電流流過(guò)的路徑，因此沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)幫助停止電機(jī)。

圖 2停止電機(jī)中的摩擦

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

圖 3扭矩與旋轉(zhuǎn)相反

這有時(shí)被稱(chēng)為“短剎車(chē)”。實(shí)際上，短路通常是通過(guò)打開(kāi) H 橋的低側(cè) MOSFET 來(lái)提供電流路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)控制系統(tǒng)想要快速降低電機(jī)速度時(shí)，施加到電機(jī)的電流極性會(huì)反轉(zhuǎn)以提供與運(yùn)動(dòng)相反的扭矩。完成后，存儲(chǔ)的動(dòng)能可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)回電源。

如果電源是一塊完美的電池，那么能量就會(huì)流回電池并被回收利用。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，電源通常是直流電源，除非專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)這種電源，否則直流電源只能提供電流。因?yàn)樗荒芪针娏?，所以能量必須流向的地方是進(jìn)入作為電源一部分的電容。

電容器中存儲(chǔ)的能量可以用 CV2 計(jì)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?。ㄒ此俣鹊?，要么慣性小），那么電壓增加可能足夠小，不會(huì)引起任何問(wèn)題。但是，在某些情況下，如果能量過(guò)多或電容不足，電壓可能會(huì)上升到破壞性水平。這可能會(huì)損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)用。

另一種處理能量的方法是在電源兩端使用半導(dǎo)體鉗位器件，例如 TVS 或齊納二極管（圖 5）。鉗位設(shè)計(jì)為在剛好高于電源的正常工作電壓時(shí)發(fā)生故障。當(dāng)回收能量導(dǎo)致電壓升高時(shí)，鉗位器會(huì)發(fā)生故障并保護(hù)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(jiǎn)單易行。

圖5 用于耗散能量的半導(dǎo)體鉗位

在較大的系統(tǒng)中，使用簡(jiǎn)單的鉗位通常是不切實(shí)際的，因?yàn)樾枰纳⒌哪芰刻?。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(fù)載中。

圖6 用于耗散能量的有源電路鉗位

鉗位電路通過(guò)使用比較器或類(lèi)似電路監(jiān)控電源電壓來(lái)工作（圖 6）。如果電壓超過(guò)預(yù)設(shè)閾值（剛好高于正常工作電壓），負(fù)載電阻器會(huì)在電源兩端切換以耗散能量。