來源 | 電機與控制

當永磁電機驅動器減速時，存儲在機械系統里的能量會通過電機驅動返回至電源。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，從而損壞電機驅動器或系統其他部件。

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.

能量守恒

能量守恒定律，物理學基本定律——能量既不會憑空產生，也不會憑空消失。

物體（如質量）通過移動或旋轉而產生動能。在電機系統中，動能來自于為電機供電的電源，電機產生轉矩以加速質量運動。

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

圖1：機械系統中的“飛輪”

這里可根據公式 ? 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生什么呢？當正在運動的質量停止或減速時，它所儲存的能量必然有所去處，那么，這些能量會去哪兒呢？

當切斷旋轉電機的電源時，運動質量中儲存的能量會消散到系統的機械損失中。由于摩擦力的影響，大部分能量被轉化成了熱能（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，驅動電機由電動狀態轉變為發電狀態，但由于沒有電流路徑，便也沒有電磁轉矩來幫助停止電機。

圖2：電機停止轉動時的摩擦力

若能為電流提供電流短路輸出路徑，則電流會產生與旋轉方向相反的轉矩（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。

圖3：與旋轉方向相反的轉矩

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，以提供與之轉動方向相反的轉矩。然后，儲存的動能可通過電機驅動電路返回至電源。

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。而現實情況并非如此，電源通常為直流電源，除非該電源經過特殊設計，否則只能產生電流。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

如果該能量比較小（速度慢或慣性小），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。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的電源，以及如何處理電機驅動電子設備中的此類能量，進行了宏觀闡述。

審核編輯：何安