制動(dòng)的挑戰(zhàn)

道路千萬(wàn)條，安全第一條；

制動(dòng)不規(guī)范，研發(fā)兩行淚。

剎車制動(dòng)除了要遵守交通規(guī)則，還有能量守恒規(guī)則。

如圖1所示，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行反接制動(dòng)減速時(shí)，在制動(dòng)過(guò)程的①階段內(nèi)，存儲(chǔ)在電機(jī)內(nèi)的動(dòng)能會(huì)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以電能的形式返回至電源，給母線電容進(jìn)行充電，這將會(huì)導(dǎo)致母線電壓的升高，一旦機(jī)電系統(tǒng)無(wú)法正確地處理這一部分的能量，那么節(jié)能減排的好事將會(huì)變成破壞性的傷害——這個(gè)升高的電壓可能會(huì)擊穿驅(qū)動(dòng)或者其他接至相同電源的電路。(想要詳細(xì)了解電機(jī)制動(dòng)方式和基礎(chǔ)知識(shí)的小伙伴們可以去看上一篇文章“制動(dòng)秘籍之基礎(chǔ)篇”。)

Q:因此，如何解決這一問(wèn)題，化解過(guò)壓損害呢？

A:少俠，我看你天資聰穎，就把這本制動(dòng)中的“踏雪無(wú)痕”傳授給你。這一次，為了方便敘述，我們還是以直流電機(jī)系統(tǒng)為例，但該分析和應(yīng)用方法同樣適用于無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)，以信接物，童叟無(wú)欺。

圖1：直流電機(jī)系統(tǒng)反接制動(dòng)圖

對(duì)于處理制動(dòng)回流的能量，一共有三招：

第一招是吸收——增加母線電容的容值，該方法比較適用于小功率的場(chǎng)合。

第二招是耗散——采用有源鉗位的方式，將回流的能量通過(guò)熱的形式散發(fā)出去。

第三招是轉(zhuǎn)換——這一招變化多端，可以是將能量回饋到電池端或者逆變?nèi)腚娋W(wǎng)，當(dāng)然也可以將多個(gè)負(fù)載母線并聯(lián)，使得回流的能量供給其它負(fù)載使用。

1 吸收——增加母線容值

這一招仿佛吸星大法般，將回流的能量通過(guò)母線電容進(jìn)行吸收。但是，一個(gè)最重要的問(wèn)題就是，多大的電容是合適的？（土豪可以不管那么多。）這里小編用一個(gè)比較簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行求解。制動(dòng)回流的能量是從電機(jī)軸端通過(guò)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器，最后到母線上的，所以制動(dòng)回流的最大功率可表示為：

Pmax = PmotorMBR?driver?motor（1）

其中Pmotor是電機(jī)運(yùn)行的功率；MBR是電機(jī)制動(dòng)瞬間的功率放大系數(shù)，這是考慮到制動(dòng)瞬間的功率很大，所以在電機(jī)運(yùn)行功率的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大，通?？蛇x取160%；?driver是驅(qū)動(dòng)器的效率，通常為98%；?motor是電機(jī)的效率，通常為90%。

在母線端，電容的吸收能量的能力肯定是要強(qiáng)過(guò)制動(dòng)回流能量的，這才能夠?qū)㈦妷悍€(wěn)在安全等級(jí)之下，所以根據(jù)電容功率公式可得：

0.5C(Uclamp - UBSB)2≧ Pmax（2）

其中C為電容容值；Uclamp為所需的鉗位電壓，母線電壓不能超過(guò)該鉗位電壓；UBSB為電機(jī)正常工作時(shí)的母線電壓。將式（2）進(jìn)行變換可得所需電容的容值選取范圍：

C ≧ 2Pmax / (Uclamp - UBSB)2 （3）

2耗散——有源鉗位

對(duì)于大功率系統(tǒng)，由于制動(dòng)時(shí)回流的能量更多，導(dǎo)致制動(dòng)瞬間母線電壓會(huì)被升高更多，因此即時(shí)地將回流的能量消耗掉才是較為有利于系統(tǒng)的解決方法。如圖2，可以采用有源鉗位電路將制動(dòng)回流能量的消耗，從而達(dá)到降低母線電壓的作用，這種方法在伺服系統(tǒng)中經(jīng)常被使用。

當(dāng)母線電壓上升使得采樣電壓超過(guò)參考值Ref時(shí)，有源鉗位電路中的MOSFET開(kāi)通并將能量消耗在剎車電阻上。對(duì)于剎車電阻的選取，一般要考慮兩點(diǎn)：

① 在制動(dòng)瞬間，回流能量所帶來(lái)的母線電壓升高是否能夠被快速地抑制掉，這和電阻的阻值有關(guān)，通常為幾歐至幾十歐。

② 由于制動(dòng)回流的能量是通過(guò)剎車電阻轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)出去的，所以剎車電阻的額定功率要符合散熱的要求。對(duì)于實(shí)際的選擇，可能還得結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用工況和功率大小，此處就不再繼續(xù)展開(kāi)了。

圖2：有源鉗位電路耗散能量

這一招有幾種變招，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行使用：如果整個(gè)系統(tǒng)中是采用電池進(jìn)行供電的，那么回流的能量將會(huì)被饋入電池端；如果整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)電網(wǎng)的系統(tǒng)，可以通過(guò)逆變將能量饋入電網(wǎng)；如果整個(gè)系統(tǒng)是母線上并聯(lián)了多個(gè)負(fù)載的系統(tǒng)，如圖3所示(此處是電機(jī)負(fù)載)，并且多個(gè)電機(jī)進(jìn)行工作時(shí)不會(huì)同時(shí)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)，那么回流的能量就能夠被其余正在運(yùn)行的負(fù)載利用起來(lái)，簡(jiǎn)單實(shí)惠。

3 轉(zhuǎn)換——回饋能量

這一招有幾種變招，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行使用：如果整個(gè)系統(tǒng)中是采用電池進(jìn)行供電的，那么回流的能量將會(huì)被饋入電池端；如果整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)電網(wǎng)的系統(tǒng)，可以通過(guò)逆變將能量饋入電網(wǎng)；如果整個(gè)系統(tǒng)是母線上并聯(lián)了多個(gè)負(fù)載的系統(tǒng)，如圖3所示(此處是電機(jī)負(fù)載)，并且多個(gè)電機(jī)進(jìn)行工作時(shí)不會(huì)同時(shí)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)，那么回流的能量就能夠被其余正在運(yùn)行的負(fù)載利用起來(lái)，簡(jiǎn)單實(shí)惠。

圖3：母線并聯(lián)系統(tǒng)