直流電機驅(qū)動器的能量回收

來源：MPS

當永磁電機驅(qū)動器減速時，存儲在機械系統(tǒng)里的能量會通過電機驅(qū)動返回至電源。如果無法正確計算出這部分能量的大小，則會引起電源電壓升高，從而損壞電機驅(qū)動器或系統(tǒng)其他部件。

本文將探索如何安全地消除此種能量。為簡化操作，我們選用直流有刷電機為例，當然，給出的方案同樣也適用于無刷電機系統(tǒng)。

能量守恒

能量守恒定律，物理學基本定律——能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失。

物體（如質(zhì)量）通過移動或旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生動能。在電機系統(tǒng)中，動能來自于為電機供電的電源，電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以加速質(zhì)量運動。

在電機轉(zhuǎn)子的慣性和與電機相連的機械系統(tǒng)中都有能量儲存。簡而言之，可以將機械系統(tǒng)設想為與電機軸耦合的飛輪（見圖1）。

圖1：機械系統(tǒng)中的“飛輪”

這里可根據(jù)公式 ? Iω2 計算出動能，其中 I 為慣性力矩，ω 為角速度。速度越快或慣性越大，則儲存的能量就越多。

很明顯，意思是說物體的運動需要能量。然而，反過來，當你想停止運動時會發(fā)生什么呢？當正在運動的質(zhì)量停止或減速時，它所儲存的能量必然有所去處，那么，這些能量會去哪兒呢？

當切斷旋轉(zhuǎn)電機的電源時，運動質(zhì)量中儲存的能量會消散到系統(tǒng)的機械損失中。由于摩擦力的影響，大部分能量被轉(zhuǎn)化成了熱能（見圖2）。除非摩擦力很大，不然電機停止的速度也會很慢。此時，驅(qū)動電機由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，但由于沒有電流路徑，便也沒有電磁轉(zhuǎn)矩來幫助停止電機。

圖2：電機停止轉(zhuǎn)動時的摩擦力

若能為電流提供電流短路輸出路徑，則電流會產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩（見圖3），這樣就可以使電機快速停止。但此種情況下，制動產(chǎn)生的能量會被消耗在被短接電機的繞組電阻和電流路徑中的電阻上，進而會以熱量的形式散發(fā)。

圖3：與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩

此種方法有時也稱作“短路剎車”。實際上，短路通常是指通過打開H橋的下管MOSFET來提供電流路徑。

當控制系統(tǒng)想要快速降低電機速度時，施加在電機上的電流極性會被反轉(zhuǎn)，以提供與之轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩。然后，儲存的動能可通過電機驅(qū)動電路返回至電源。

如果電源是一塊完美的電池，那么能量就會回流到電池中并被加以回收。而現(xiàn)實情況并非如此，電源通常為直流電源，除非該電源經(jīng)過特殊設計，否則只能產(chǎn)生電流。由于直流電源無法吸收電流的特性，回流的能量只能進入作為電源一部分的電容中。

電容器中儲存的能量可通過公式 ?cv2計算得出，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增加（見圖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性小），那么此時電壓的增加可以忽略不計。可有時，若能量太多或電容容量不夠，電壓可能會升至破壞性水平。這將會損壞電機驅(qū)動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。此種方法有時會被采用，但大多數(shù)情況下，由于物理或成本的限制，大電容器并不實用。

另一種解決方法是采用半導體鉗位裝置跨接至電源，比如TVS或齊納二極管（見圖5）。當電源電壓超過正常工作電壓時，使用鉗位裝置擊穿電壓。當再生能量導致電壓上升時，鉗位裝置可擊穿電壓以保護系統(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：采用半導體鉗位裝置耗散能量

在大型系統(tǒng)中，使用簡單的鉗位裝置往往效果并不樂觀，因為需要耗散的能量過多。此時，可以使用有源箝位電路將能量耗散到電阻負載中。

圖6：：采用有源電路鉗位裝置耗散能量

鉗位電路通過使用比較器或類似電路，監(jiān)測電源電壓來工作（見圖6）。如果電壓增加至預設閾值（剛剛超過正常工作電壓值），可以在電源上跨接一個負載電阻，以耗散能量。

結論

本文針對如何將能量從電機反饋回機械系統(tǒng)的電源，以及如何處理電機驅(qū)動電子設備中的此類能量，進行了宏觀闡述。

審核編輯：湯梓紅