电机能量回馈原理（如何以电机能量回馈控制提升电动车辆节能效果）

电机能量反馈问题是电机驱动系统中常见的问题。许多设计人员必须选择两倍于额定电压水平的电机电源电压(VM)，这会增加系统成本。幸运的是，如果您可以首先估计泵送量，则可以选择合适的VM 裕度。

VM泵上升波形

图1 显示了减速期间能量反馈引起的典型VM 泵浦波形。当输入PWM（脉冲宽度调制）占空比从99% 变为70% 时，VM 电压从24V 升至32V。 （在TI 电机驱动器设备DRV8840 上测试，这是一款5A 有刷直流(DC) 电机驱动器。）

图1：再生功率现象和VM泵浦现象

泵机构

这里我们需要一些DC/DC 电源管理背景信息来了解泵浦机制。那么，让我们看一下典型的降压-升压电路是如何工作的；参见图2。有趣的是，当在PWM控制期间使用H桥驱动电机时，您可以同时看到电压降压和升压过程。如图3所示，在PWM开启期间，是典型的降压电路。在图4中，在PWM关断期间，反电动势（EMF）充当升压机构中的输入电源。

图2：降压和升压电路

图3：H 桥中的降压转换

图4：H 桥升压转换

该有刷直流电机的运行模式可表示为方程(1)。

在正常驱动条件下，PWM占空比=D，电机将以等式（2）所示电压VDRV驱动的速度运行。

根据式（1），我们应该可以估计

升压效应将导致VBST

根据式(2)、(3)、(4)，我们可以估计

因此，在正常操作条件下不存在VM 泵送。

当PWM 占空比从D1 减小到D2 时，就在发生减小的时间点之前，我们可以估计

占空比刚减小后，电机的速度不能突然改变，因此根据新的占空比D2计算出的VBST为

根据式(6)和式(7)可得

当K * D1/D2 1 时，我们可以估计

VBST 将高于VVM 并引起泵送效应。假设K 接近1，则任何时候减小占空比并使D2 D1 时，VM 泵浦都会发生。例如，如果将占空比从100% 降低到50%，则VBST=2 * VM。如果将占空比从90% 减少到30%，您将看到泵电压是VM 的3 倍。

泵扬程测试

实际上，VM泵浦不能像上面等式(8)估计的那样高，因为电源和VM电容器将具有吸收电能的能力，这有助于降低泵浦电平。为了验证这种估计方法，我们可以从电源到VM添加一个二极管Ts1（如图5所示），试图获得纯粹的泵浦效应而不被电源吸收功率。

表1显示了测试结果。 （注：某些泵升压电压超出了DRV8840 产品表中的VM 规格标准；这仅用于测试。绝不建议在高于规格标准的情况下使用该器件。）

表1：泵电压测试结果与计算结果对比

图5：测试电路

图6：当PWM 占空比从100% 减少到50% 时，VM 泵上升（测试包括图5 中的Ts1）

减少电压泵效应

有两种方法可以控制VM泵送：

使用快速衰减模式。当DRV8840 处于快速衰减模式时，图5 中所示的升压拓扑不再存在。通常，反电动势始终低于VM 电压，因此根本不会发生VM 泵浦。然而，在这种情况下，需要很长时间才能减速到目标速度，如图7所示。

图7：快速衰减期间无VM 泵浦

使用瞬态电压抑制器(TVS) 强制限制VM 泵浦。如果您选择钳位电压略高于额定VM 电平的TVS，并将其放置为Ts2，如图5 所示，那么它将能够强制限制VM 泵浦（见图8）。作者使用了27V TVS，VM 泵被有效限制在29.6V。 TVS 还充当动态制动装置，使电机能够快速减速。

图8 使用TVS 限制泵电压

总结

在电机减速过程中，VM泵升实际上是动能被反馈并转化为电能的指示。其特点如下：

PWM 驱动器中包含的泵电路拓扑是反电动势即使在电流低于电源电压时也能迫使电流返回VM 电源的关键因素。在减速阶段，如果采用快衰减模式，VM泵不会上升，但电机需要较长的时间才能减速。

TVS钳位方法或其他动态制动方法可以有效解决VM泵升程过大的问题，并在降低VM泵升程效应的同时保持较快的减速速度。

审稿编辑：郭婷