回收直流电机驱动中的能量

当使永磁电机驱动器中的运动质量减速时，存储在机械系统中的能量可以通过电机驱动器返回到电源。如果没有正确考虑这种能量，它可能会导致电源电压升高，从而损坏电机驱动器或系统的其余部分。

在本文中，我们将研究安全消散这种能量的方法。为了简化示例，显示了直流有刷电机。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——能量既不能被创造也不能被消灭。

当某物（例如质量块）移动或旋转时，它会积累动能。在电机系统中，动能来自为电机提供电能的电源，电机产生扭矩以加速质量。

电机转子的惯性以及与电机相连的机械系统中都存储有能量。为简单起见，将机械系统设想为耦合到电机轴的飞轮（图 1）。

图 1机械系统的飞轮示例

动能可以用 Iω2 计算，其中 I 是转动惯量，ω 是角速度。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——需要能量才能使某物移动。不太明显的是当你想停止运动时会发生什么。要停止或减慢运动质量，必须将储存的动能转移到某个地方。但是哪里？

当您断开旋转电机的电源时，存储在运动质量中的能量会耗散到系统的机械损耗中。由于摩擦，大部分能量转化为热量（图 2）。除非有很大的摩擦力，否则电机会非常缓慢地滑行停止。电机变成发电机，但由于没有电流流过的路径，因此没有电磁转矩来帮助停止电机。

图 2停止电机中的摩擦

如果通过短路电机的输出为电流从该发电机流出提供路径，则电流会产生与旋转方向相反的扭矩（图 3）。这会导致电机快速停止。在这种情况下，能量大部分以热量的形式在电机的绕组电阻和电流路径中的任何电阻中耗散，从而使电机短路。

图 3扭矩与旋转相反

这有时被称为“短刹车”。实际上，短路通常是通过打开 H 桥的低侧 MOSFET 来提供电流路径来实现的。

当控制系统想要快速降低电机速度时，施加到电机的电流极性会反转以提供与运动相反的扭矩。完成后，存储的动能可以通过电机驱动电路驱动回电源。

如果电源是一块完美的电池，那么能量就会流回电池并被回收利用。然而，在现实世界中，电源通常是直流电源，除非专门设计这种电源，否则直流电源只能提供电流。因为它不能吸收电流，所以能量必须流向的地方是进入作为电源一部分的电容。

电容器中存储的能量可以用 CV2 计算，其中 C 是电容，V 是电压。随着能量流入电容器，电容器两端的电压必须增加（图 4）。

图 4 随着能量的增加而增加电容器电压

如果能量很小（要么速度低，要么惯性小），那么电压增加可能足够小，不会引起任何问题。但是，在某些情况下，如果能量过多或电容不足，电压可能会上升到破坏性水平。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。

消散能量

有几种方法可以处理回收回电源的能量。一种是在电源上放置大量电容。在某些情况下，这可能就是所需要的全部，但在大多数情况下，由于物理或成本限制，大电容器并不实用。

另一种处理能量的方法是在电源两端使用半导体钳位器件，例如 TVS 或齐纳二极管（图 5）。钳位设计为在刚好高于电源的正常工作电压时发生故障。当回收能量导致电压升高时，钳位器会发生故障并保护系统。返回电源的能量在钳位装置中以热量的形式消散。

如果能量适中，则此解决方案简单易行。

图5 用于耗散能量的半导体钳位

在较大的系统中，使用简单的钳位通常是不切实际的，因为需要耗散的能量太大。在这些情况下，可以使用有源钳位电路将能量耗散到电阻负载中。

图6 用于耗散能量的有源电路钳位

钳位电路通过使用比较器或类似电路监控电源电压来工作（图 6）。如果电压超过预设阈值（刚好高于正常工作电压），负载电阻器会在电源两端切换以耗散能量。