如何估計(jì)電機(jī)能量回饋和VM電源泵升?
發(fā)布時(shí)間:2015-09-24 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】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。今天,介紹一種估計(jì)泵升水平的方法。
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。)
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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。
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圖2:降壓和升壓電路
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圖4:升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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該有刷DC電機(jī)的運(yùn)行模式可表示為方程式(1)。
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),力圖在沒有電源吸收電能的情況下獲得純泵升效應(yīng)。
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圖5:泵升電壓測(cè)試結(jié)果
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表1和圖6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。)
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圖6:測(cè)試結(jié)果圖
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圖7: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4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8所示。
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圖8:快速衰減時(shí)沒有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(見圖9)。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。
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圖9
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。
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