如何估計(jì)電機(jī)能量回饋和VM電源泵升

　　電機(jī)能量回饋問題是一個(gè)發(fā)生在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的常見問題。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，這會增加系統(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)動器裝置DRV8840上進(jìn)行的測試，DRV8840是一種5A的有刷直流 （DC） 電機(jī)驅(qū)動器。）

　　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控制過程中使用H橋驅(qū)動電機(jī)時(shí)，您能同時(shí)看到降壓和升壓的過程。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，對反電動勢（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：降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖4：升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　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)。

　　圖5：泵升電壓測試結(jié)果

　　表1和圖6展示了測試結(jié)果。（注意：某些泵升電壓超過了DRV8840產(chǎn)品說明書的VM規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；這僅適用于測試。絕不建議該器件在超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的條件下使用。）

　　表1：泵升電壓的測試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對比

　　圖6：測試結(jié)果圖

　　圖7：當(dāng)PWM占空比從100％減至50％時(shí)的VM泵升（測試包含圖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，反電動勢EMF將一直低于VM電壓，因此根本不會發(fā)生VM泵升。但是這種情況下，減速至目標(biāo)速度，將需要較長的時(shí)間，如圖8所示。

　　圖8：快速衰減時(shí)沒有VM泵升

　　使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）來強(qiáng)行限制VM泵升。如果您選擇鉗位電壓比額定VM等級稍高的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)了動態(tài)制動裝置，使得電機(jī)能快速減速。

　　圖9

　　總結(jié)

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

　　PWM驅(qū)動中包含的泵升電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是為什么反電動勢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引起VM泵升，但電機(jī)需要相對較長的時(shí)間才能減慢速度。

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