當使永磁電機驅動(dòng)器中的運動(dòng)質(zhì)量減速時(shí)，存儲在機械系統中的能量可以通過(guò)電機驅動(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 )導致電源電壓升高，從而損壞電機驅動(dòng)器或系統的其余部分。
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。這也適用于無(wú)刷電機系統。
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。
當某物（例如質(zhì)量塊）移動(dòng)或旋轉時(shí)，它會(huì )積累動(dòng)能。在電機系統中，動(dòng)能來(lái)自為電機提供電能的電源，電機產(chǎn)生扭矩以加速質(zhì)量。
電機轉子的慣性以及與電機相連的機械系統中都存儲有能量。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將機械系統設想為耦合到電機軸的飛輪（圖 1）。
圖 1機械系統的飛輪示例
動(dòng)能可以用 Iω2 計算，其中 I 是轉動(dòng)慣量，ω 是角速度。速度越高或慣性越大，儲存的能量就越多。
這是一個(gè)非常明顯的概念——需要能量才能使某物移動(dòng)。不太明顯的是當你想停止運動(dòng)時(shí)會(huì )發(fā)生什么。要停止或減慢運動(dòng)質(zhì)量，必須將儲存的動(dòng)能轉移到某個(gè)地方。但是哪里？
當您斷開(kāi)旋轉電機的電源時(shí)，存儲在運動(dòng)質(zhì)量中的能量會(huì )耗散到系統的機械損耗中。由于摩擦，大部分能量轉化為熱量（圖 2）。除非有很大的摩擦力，否則電機會(huì )非常緩慢地滑行停止。電機變成發(fā)電機，但由于沒(méi)有電流流過(guò)的路徑，因此沒(méi)有電磁轉矩來(lái)幫助停止電機。
圖 2停止電機中的摩擦
如果通過(guò)短路電機的輸出為電流從該發(fā)電機流出提供路徑，則電流會(huì )產(chǎn)生與旋轉方向相反的扭矩（圖 3）。這會(huì )導致電機快速停止。在這種情況下，能量大部分以熱量的形式在電機的繞組電阻和電流路徑中的任何電阻中耗散，從而使電機短路。
圖 3扭矩與旋轉相反
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 MOSFET 來(lái)提供電流路徑來(lái)實(shí)現的。
當控制系統想要快速降低電機速度時(shí)，施加到電機的電流極性會(huì )反轉以提供與運動(dòng)相反的扭矩。完成后，存儲的動(dòng)能可以通過(guò)電機驅動(dòng)電路驅動(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，在現實(shí)世界中，電源通常是直流電源，除非專(zhuān)門(mén)設計這種電源，否則直流電源只能提供電流。因為它不能吸收電流，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。
電容器中存儲的能量可以用 CV2 計算，其中 C 是電容，V 是電壓。隨著(zhù)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(zhù)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�。�，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 )損壞電機驅動(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體鉗位器件，例如 TVS 或齊納二極管（圖 5）。鉗位設計為在剛好高于電源的正常工作電壓時(shí)發(fā)生故障。當回收能量導致電壓升高時(shí)，鉗位器會(huì )發(fā)生故障并保護系統。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體鉗位
在較大的系統中，使用簡(jiǎn)單的鉗位通常是不切實(shí)際的，因為需要耗散的能量太大。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)似電路監控電源電壓來(lái)工作（圖 6）。如果電壓超過(guò)預設閾值（剛好高于正常工作電壓），負載電阻器會(huì )在電源兩端切換以耗散能量。 |
