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2021.08.11 电机

PWM驱动有刷电机时的电流再生方法及其区别

专栏

本文将探讨PWM驱动有刷电机时的电流再生方法及PWM驱动有刷电机时的电流再生区别。

有刷电机的PWM驱动中的电流再生方法

在有刷电机的PWM驱动过程中,关断区间的电流再生方法主要分为两种。一种是等效短接有刷电机的两个引脚。另一种是将电源的极性按照与导通区间相反的方向等效连接在有刷电机的两个引脚上。下面具体介绍一下这两种方法。

等效短接电机两个引脚的再生方法

图1为PWM驱动供给电流时(导通区间)和等效短接电机两个引脚的电流再生方法的等效电路。这里省略了OFF的晶体管。

電流供給時と、モータの2端子をショートする電流回生方法の等価回路

(a)供给电流时,Q1和Q4导通,电机接通电源。等效短接电机两个引脚的方法有两种。(b)在电流再生1的电路中,在(a)的状态下将Q1关断,断开与电源的连接,使Q2导通,Q4保持导通,将电机的引脚间短接。(c)在电流再生2的电路中,同样将Q1关断,但Q2保持关断,Q4也保持导通,电机电流经由Q2的寄生二极管循环流动。

图2为使用了这种将电机的两个引脚端接的电流再生方法时的PWM工作波形。作为等效电路,(b)和(c)基本相同,所以波形也相同。为了更容易理解,电流波形峰值之间的变化绘制得比实际要大。

モータの2端子を等価的にショートさせた電流回生方法のPWM動作波形

时间t为∞,即当电机发电电压(Ec)为零时,稳定状态的电机平均电流值Iave如下:

Iave=Ea・m/R  ※Ea:电机电源电压,m:导通占空比,R:电机等效电阻

因此,电机电源电压Ea乘以导通占空比m而获得的电压被施加到电机。

将电源的极性按照与导通区间相反的方向等效连接在有刷电机两个引脚上的再生方法

接下来是另一种再生方法,即将电源的极性按照与导通区间相反的方向等效连接在有刷电机两个引脚上的再生方法,图3是其等效电路。这种方法也分为两种。

モータの2端子に等価的に電源極性をオンデューティ区間と逆接続する電流回生方法の等価回路

(d)在电流再生3的电路中,使Q1和Q4关断,使Q2和Q3导通,并使导通区间与电机电源的极性相反。在该电路中,根据占空比,会流过反向电流。(e)在电流再生4的电路中,所有的晶体管关断,但电流通过Q2和Q4的寄生二极管再生,等效施加在导通区间和电机电源的极性是相反的。由于干电路是通过二极管连接的,因此不会流过反向电流。

如(d)所示将电源的极性按照与导通区间相反的方向等效连接在有刷电机两个引脚上进行电流再生并流过反向电流时,其电路的PWM工作波形如图4所示。

図3(d)の電源逆接続電流回生で逆方向電流が流れる回路のPWM動作波形

在(d)的电路中,当再生电流达到零以下时,电流会沿相反的方向流动,因此导通比为50%,电机的平均电流变为零。当导通比为100%~50%时,平均电流沿某一方向流动;当导通比为50%~0%时,平均电流沿与大于50%时相反的方向流动。施加到电机上的等效电压如下:

施加到电机的等效电压=Ea・(m-50%)/50%  ※Ea:电机电源电压,m:导通比

接下来,如(e)的电路所示,进行电源反接的电流再生,图5是无反向电流的电路的PWM工作波形。

図3(e)の電源逆接続電流回生で逆方向電流が流れない回路のPWM動作波形

在(e)的电路中,与导通区间相反的方向不会有电流流动,因此即使导通比为50%,平均电流也不会变为零,但如果使导通比小于 50%,则平均电流会减少,并在0%时变为零。在电流瞬态波形中,当电流最小峰值大于零时,施加到电机上的等效电压如下:

施加到电机的等效电压=Ea・(m-50%)/50%  ※Ea:电机电源电压,m:导通比

无论哪种电路,由于存在寄生二极管的正向电压,输出晶体管 (MOSFET) 的高边和低边导通电阻也存在差异,因此实际施加的等效电压都与根据所示公式计算得出的值略有不同。

小结

图1-(b)和(c)等效短接电机两个引脚的再生方法中,再生电流是逐渐缓慢衰减的;而图3-(d)和(e)将电源极性按照与导通区间相反的方向等效连接在电机两个引脚上的电流再生方法中,由于电流试图反向流动的方向的电压被施加到线圈,因此再生电流会急剧衰减。

至于在PWM驱动时施加到电机上的电压,在等效短接电机两个引脚的再生方法中,会施加大约“电源电压×导通比”的电压。而在将电源的极性按照与导通区间相反的方向等效连接在有刷电机两个引脚上的再生方法中,将会施加约“电源电压×(导通比-50%)/50%”的电压

在将电源的极性按照与导通区间相反的方向等效连接在有刷电机两个引脚上的再生方法中,在使(d)的输出晶体管导通且反向连接电路中,电流会反向流动,因此当导通比低于50%时,电流反向流动。在使(e)的所有输出晶体管都关断且通过寄生二极管反向连接的电路中,不会流过反向电流,因此即使占空比小于 50%,流过的也是基于导通比的正向电流。

再生方法 图1-(b)和(c)
等效短接电机的两个引脚
图3-(d)和(e)
对电机两个引脚等效反接电源
再生电流的衰减 平稳 急剧
在PWM驱动时施加到电机上的等效电压 Ea・m Ea・(m-50%)/50%
在PWM驱动时的平均电流
※电机发电电压:Ec为零
Ea・m/R Ea・(m-50%)/(50%・R)
※(d)允许电流反向流动,因此当m=50%时电流为零,当m<50%时流过负电流。
※(e)没有反向电流,因此即使m≤50%,也只有正电流流动。

※Ea:电机电源电压,m:导通比,R:电机等效电阻

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