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如何估計電機能量回饋和VM電源泵升？

發布時間：2015-09-24 責任編輯：sherry

【導讀】電機能量回饋問題是一個發生在電機驅動係統中的常見問題。許多設計人員不得不選擇相當於額定電壓水平兩倍的電機電源電壓（VM）等級，這會增加係統成本。幸運的是，如果您能先估計泵升幅度，您就可以選擇恰好的VM裕度。今天，介紹一種估計泵升水平的方法。

VM泵升波形

圖1展示了在減速過程中由能量回饋引起的典型VM泵升波形。當輸入PWM（脈寬調製）占空比從99％變為70％時，VM電壓從24V被泵升至32V。（在TI電機驅動器裝置DRV8840上進行的測試，DRV8840是一種5A的有刷直流（DC）電機驅動器。）

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再生電能現象和VM泵升現象

圖1：再生電能現象和VM泵升現象

泵升機製

在這裏我們需要一些DC/DC電源管理背景資料以了解泵升機製。因此，讓我們來看看典型的降壓 — 升壓電路是如何工作的；請參閱圖2。有趣的是，在PWM控製過程中使用H橋驅動電機時，您能同時看到降壓和升壓的過程。如圖3所示，在PWM的開通時間段，它是一個典型的降壓電路。而圖4中，在PWM的斷開時間段，對反電動勢（EMF）而言，則充當升壓機製中的輸入電源。

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降壓和升壓電路

圖2：降壓和升壓電路

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降壓和升壓電路

圖4：升壓拓撲結構

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該有刷DC電機的運行模式可表示為方程式（1）。

降壓和升壓電路

降壓和升壓電路

VBST將比VVM高，並引起泵升效應。假設K接近1，那麼任何時候您減小占空比並使D2 《 D1，VM泵升均會發生。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％，那麼您將看到泵升電壓是VM的3倍。

泵升測試

在實踐中，VM泵升不能像上述方程式（8）估算的那麼高，因為電源和VM電容器會有吸收電能的能力，這有助於降低泵升水平。為了驗證該估算方法，我們可添加一個從電源到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。

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泵升電壓測試結果

圖5：泵升電壓測試結果

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表1和圖6展示了測試結果。（注意：某些泵升電壓超過了DRV8840產品說明書的VM規範標準；這僅適用於測試。絕不建議該器件在超過規範標準的條件下使用。）

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測試結果圖

圖6：測試結果圖

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當PWM占空比從100％減至50％時的VM泵升（測試包含圖5上的Ts1）

圖7：當PWM占空比從100％減至50％時的VM泵升（測試包含圖5上的Ts1）

降低電壓泵升效應

有兩種方法可控製VM泵升：

采用快速衰減模式。當DRV8840處於快速衰減模式的時候，圖4所示的升壓拓撲結構就不複存在了。通常情況下，反電動勢EMF將一直低於VM電壓，因此根本不會發生VM泵升。但是這種情況下，減速至目標速度，將需要較長的時間，如圖8所示。

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快速衰減時沒有VM泵升

圖8：快速衰減時沒有VM泵升

使用瞬態電壓抑製器（TVS）來強行限製VM泵升。如果您選擇鉗位電壓比額定VM等級稍高的TVS並作為圖5所示的Ts2放置，那麼它將能強行限製 VM泵升（見圖9）。筆者用了一個27V的TVS，VM泵升被有效地限製在29.6V。該TVS還充當了動態製動裝置，使得電機能快速減速。

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快速衰減時沒有VM泵升

圖9

總結

在電機減速過程中，VM泵升實際上是動能回饋並轉換為電能的指示。其特性如下：

PWM驅動中包含的泵升電路拓撲結構是為什麼反電動勢能即使在小於電源電壓的情況下也能迫使電流回到VM電源的關鍵因素。在減速階段，若使用快速衰減模式則不會引起VM泵升，但電機需要相對較長的時間才能減慢速度。

TVS鉗位法或其它動態製動法可有效解決VM泵升過高的問題，在降低VM泵升效應的同時又能保持較快的減速速度。

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