如何估計(jì)電機(jī)能量回饋和VM電源泵升

電機(jī)能量回饋問(wèn)題是一個(gè)發(fā)生在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的常見(jiàn)問(wèn)題。許多設(shè)計(jì)人員不得不選擇相當(dāng)于額定電壓水平兩倍的電機(jī)電源電壓（VM）等級(jí)，這會(huì)增加系統(tǒng)成本。幸運(yùn)的是，如果您能先估計(jì)泵升幅度，您就可以選擇恰好的VM裕度。

VM泵升波形

圖1展示了在減速過(guò)程中由能量回饋引起的典型VM泵升波形。當(dāng)輸入PWM（脈寬調(diào)制）占空比從99％變?yōu)?0％時(shí)，VM電壓從24V被泵升至32V。（在TI電機(jī)驅(qū)動(dòng)器裝置DRV8840上進(jìn)行的測(cè)試，DRV8840是一種5A的有刷直流 (DC) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。）

圖1：再生電能現(xiàn)象和VM泵升現(xiàn)象

泵升機(jī)制

在這里我們需要一些DC/DC電源管理背景資料以了解泵升機(jī)制。因此，讓我們來(lái)看看典型的降壓 — 升壓電路是如何工作的；請(qǐng)參閱圖2。有趣的是，在PWM控制過(guò)程中使用H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，您能同時(shí)看到降壓和升壓的過(guò)程。如圖3所示，在PWM的開(kāi)通時(shí)間段，它是一個(gè)典型的降壓電路。而圖4中，在PWM的斷開(kāi)時(shí)間段，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)（EMF）而言，則充當(dāng)升壓機(jī)制中的輸入電源。

圖2：降壓和升壓電路

圖3：H橋中的降壓變換

圖4：H橋中的升壓變換

該有刷DC電機(jī)的運(yùn)行模式可表示為方程式（1）。

在正常驅(qū)動(dòng)條件下，PWM占空比 = D，該電機(jī)將以方程式（2）所示電壓VDRV驅(qū)動(dòng)的速度運(yùn)行。

根據(jù)方程式（1），我們應(yīng)能估算出

升壓效應(yīng)將使VBST為

根據(jù)方程式（2）、（3）、（4），我們可估算出

因此，在正常運(yùn)行狀態(tài)下不存在VM泵升。

當(dāng)PWM占空比從D1減小至D2時(shí)，就在發(fā)生減小的時(shí)間點(diǎn)之前，我們可估算出

占空比剛剛減小后，電機(jī)的速度不能突然改變，因此基于新的占空比D2計(jì)算出VBST是

根據(jù)方程式（6）、（7），我們可得出

當(dāng)K * D1/ D2 > 1時(shí)，我們可估算出

VBST將比VVM高，并引起泵升效應(yīng)。假設(shè)K接近1，那么任何時(shí)候您減小占空比并使D2 < D1，VM泵升均會(huì)發(fā)生。例如，要是您讓占空比從100％減至50％，則VBST?= 2 * VM。要是您讓占空比從90％減至30％，那么您將看到泵升電壓是VM的3倍。

泵升測(cè)試

在實(shí)踐中，VM泵升不能像上述方程式（8）估算的那么高，因?yàn)殡娫春蚔M電容器會(huì)有吸收電能的能力，這有助于降低泵升水平。為了驗(yàn)證該估算方法，我們可添加一個(gè)從電源到VM的二極管Ts1（如圖5所示），力圖在沒(méi)有電源吸收電能的情況下獲得純泵升效應(yīng)。

表1展示了測(cè)試結(jié)果。（注意：某些泵升電壓超過(guò)了DRV8840產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的VM規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；這僅適用于測(cè)試。絕不建議該器件在超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的條件下使用。）

表1：泵升電壓的測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5：測(cè)試電路

圖6：當(dāng)PWM占空比從100％減至50％時(shí)的VM泵升（測(cè)試包含圖5上的Ts1）

降低電壓泵升效應(yīng)

有兩種方法可控制VM泵升：

采用快速衰減模式。當(dāng)DRV8840處于快速衰減模式的時(shí)候，圖5所示的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就不復(fù)存在了。通常情況下，反電動(dòng)勢(shì)EMF將一直低于VM電壓，因此根本不會(huì)發(fā)生VM泵升。但是這種情況下，減速至目標(biāo)速度，將需要較長(zhǎng)的時(shí)間，如圖7所示。

圖7：快速衰減時(shí)沒(méi)有VM泵升

使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）來(lái)強(qiáng)行限制VM泵升。如果您選擇鉗位電壓比額定VM等級(jí)稍高的TVS并作為圖5所示的Ts2放置，那么它將能強(qiáng)行限制VM泵升（見(jiàn)圖8）。筆者用了一個(gè)27V的TVS，VM泵升被有效地限制在29.6V。該TVS還充當(dāng)了動(dòng)態(tài)制動(dòng)裝置，使得電機(jī)能快速減速。

圖8 用TVS限制泵升電壓

總結(jié)

在電機(jī)減速過(guò)程中，VM泵升實(shí)際上是動(dòng)能回饋并轉(zhuǎn)換為電能的指示。其特性如下：

PWM驅(qū)動(dòng)中包含的泵升電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是為什么反電動(dòng)勢(shì)能即使在小于電源電壓的情況下也能迫使電流回到VM電源的關(guān)鍵因素。在減速階段，若使用快速衰減模式則不會(huì)引起VM泵升，但電機(jī)需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間才能減慢速度。

TVS鉗位法或其它動(dòng)態(tài)制動(dòng)法可有效解決VM泵升過(guò)高的問(wèn)題，在降低VM泵升效應(yīng)的同時(shí)又能保持較快的減速速度。

審核編輯：郭婷