如何安全地消除電機(jī)驅(qū)動(dòng)能量—直流有刷電機(jī)為例

來(lái)源 | 電機(jī)與控制

當(dāng)永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器減速時(shí)，存儲(chǔ)在機(jī)械系統(tǒng)里的能量會(huì)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)返回至電源。如果無(wú)法正確計(jì)算出這部分能量的大小，則會(huì)引起電源電壓升高，從而損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或系統(tǒng)其他部件。 本文將探索如何安全地消除此種能量。為簡(jiǎn)化操作，我們選用直流有刷電機(jī)為例，當(dāng)然，給出的方案同樣也適用于無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng).

能量守恒

能量守恒定律，物理學(xué)基本定律——能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失。 物體（如質(zhì)量）通過(guò)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生動(dòng)能。在電機(jī)系統(tǒng)中，動(dòng)能來(lái)自于為電機(jī)供電的電源，電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以加速質(zhì)量運(yùn)動(dòng)。 在電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性和與電機(jī)相連的機(jī)械系統(tǒng)中都有能量?jī)?chǔ)存。簡(jiǎn)而言之，可以將機(jī)械系統(tǒng)設(shè)想為與電機(jī)軸耦合的飛輪（見(jiàn)圖1）。

圖1：機(jī)械系統(tǒng)中的“飛輪” 這里可根據(jù)公式 ? Iω2 計(jì)算出動(dòng)能，其中 I 為慣性力矩，ω 為角速度。速度越快或慣性越大，則儲(chǔ)存的能量就越多。 很明顯，意思是說(shuō)物體的運(yùn)動(dòng)需要能量。然而，反過(guò)來(lái)，當(dāng)你想停止運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？當(dāng)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量停止或減速時(shí)，它所儲(chǔ)存的能量必然有所去處，那么，這些能量會(huì)去哪兒呢？ 當(dāng)切斷旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電源時(shí)，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量中儲(chǔ)存的能量會(huì)消散到系統(tǒng)的機(jī)械損失中。由于摩擦力的影響，大部分能量被轉(zhuǎn)化成了熱能（見(jiàn)圖2）。除非摩擦力很大，不然電機(jī)停止的速度也會(huì)很慢。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，但由于沒(méi)有電流路徑，便也沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)幫助停止電機(jī)。

圖2：電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力 若能為電流提供電流短路輸出路徑，則電流會(huì)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩（見(jiàn)圖3），這樣就可以使電機(jī)快速停止。但此種情況下，制動(dòng)產(chǎn)生的能量會(huì)被消耗在被短接電機(jī)的繞組電阻和電流路徑中的電阻上，進(jìn)而會(huì)以熱量的形式散發(fā)。

圖3：與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩 此種方法有時(shí)也稱作“短路剎車”。實(shí)際上，短路通常是指通過(guò)打開(kāi)H橋的下管MOSFET來(lái)提供電流路徑。 當(dāng)控制系統(tǒng)想要快速降低電機(jī)速度時(shí)，施加在電機(jī)上的電流極性會(huì)被反轉(zhuǎn)，以提供與之轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩。然后，儲(chǔ)存的動(dòng)能可通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路返回至電源。 如果電源是一塊完美的電池，那么能量就會(huì)回流到電池中并被加以回收。而現(xiàn)實(shí)情況并非如此，電源通常為直流電源，除非該電源經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，否則只能產(chǎn)生電流。由于直流電源無(wú)法吸收電流的特性，回流的能量只能進(jìn)入作為電源一部分的電容中。 電容器中儲(chǔ)存的能量可通過(guò)公式 ?cv2計(jì)算得出，其中c為電容，v為電壓。能量流入電容器后，電容器上的電壓必然會(huì)增加（見(jiàn)圖4）。

圖4：能量增加后，電容電壓也隨之增加 如果該能量比較?。ㄋ俣嚷驊T性?。?，那么此時(shí)電壓的增加可以忽略不計(jì)?？捎袝r(shí)，若能量太多或電容容量不夠，電壓可能會(huì)升至破壞性水平。這將會(huì)損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路或其他接至相同電源的電路。 能量耗散 有幾種方法可以處理回流到電源中的能量：一種是在電源處放置大電容器。此種方法有時(shí)會(huì)被采用，但大多數(shù)情況下，由于物理或成本的限制，大電容器并不實(shí)用。 另一種解決方法是采用半導(dǎo)體鉗位裝置跨接至電源，比如TVS或齊納二極管（見(jiàn)圖5）。當(dāng)電源電壓超過(guò)正常工作電壓時(shí)，使用鉗位裝置擊穿電壓。當(dāng)再生能量導(dǎo)致電壓上升時(shí)，鉗位裝置可擊穿電壓以保護(hù)系統(tǒng)。返回至電源的能量在鉗位裝置中以熱量的形式消散。 若能量大小適中，此解決方案非常受用。

圖5：采用半導(dǎo)體鉗位裝置耗散能量 在大型系統(tǒng)中，使用簡(jiǎn)單的鉗位裝置往往效果并不樂(lè)觀，因?yàn)樾枰纳⒌哪芰窟^(guò)多。此時(shí)，可以使用有源箝位電路將能量耗散到電阻負(fù)載中。

圖6：：采用有源電路鉗位裝置耗散能量 鉗位電路通過(guò)使用比較器或類似電路，監(jiān)測(cè)電源電壓來(lái)工作（見(jiàn)圖6）。如果電壓增加至預(yù)設(shè)閾值（剛剛超過(guò)正常工作電壓值），可以在電源上跨接一個(gè)負(fù)載電阻，以耗散能量。

結(jié)論

本文針對(duì)如何將能量從電機(jī)反饋回機(jī)械系統(tǒng)的電源，以及如何處理電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備中的此類能量，進(jìn)行了宏觀闡述。

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原文標(biāo)題：解析 | 如何安全消除直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能量？

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