如何估計電機能量回饋和VM電源泵升

　　電機能量回饋問(wèn)題是一個(gè)發(fā)生在電機驅動(dòng)系統中的常見(jiàn)問(wèn)題。許多設計人員不得不選擇相當于額定電壓水平兩倍的電機電源電壓（VM）等級，這會(huì )增加系統成本。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(guò)程中由能量回饋引起的典型VM泵升波形。當輸入PWM（脈寬調制）占空比從99％變?yōu)?0％時(shí)，VM電壓從24V被泵升至32V。（在TI電機驅動(dòng)器裝置DRV8840上進(jìn)行的測試，DRV8840是一種5A的有刷直流 （DC） 電機驅動(dòng)器。）

　　圖1：再生電能現象和VM泵升現象

　　泵升機制

　　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制。因此，讓我們來(lái)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(guò)程中使用H橋驅動(dòng)電機時(shí)，您能同時(shí)看到降壓和升壓的過(guò)程。如圖3所示，在PWM的開(kāi)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(kāi)時(shí)間段，對反電動(dòng)勢（EMF）而言，則充當升壓機制中的輸入電源。

　　圖2：降壓和升壓電路

　　圖3：降壓拓撲結構

　　圖4：升壓拓撲結構

　　該有刷DC電機的運行模式可表示為方程式（1）。

　　在正常驅動(dòng)條件下，PWM占空比 = D，該電機將以方程式（2）所示電壓VDRV驅動(dòng)的速度運行。

　　根據方程式（1），我們應能估算出

　　升壓效應將使VBST為

　　根據方程式（2）、（3）、（4），我們可估算出

　　因此，在正常運行狀態(tài)下不存在VM泵升。

　　當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，電機的速度不能突然改變，因此基于新的占空比D2計算出VBST是

　　根據方程式（6）、（7），我們可得出

　　當K * D1/ D2 》 1時(shí)，我們可估算出

　　VBST將比VVM高，并引起泵升效應。假設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(huì )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，因為電源和VM電容器會(huì )有吸收電能的能力，這有助于降低泵升水平。為了驗證該估算方法，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(méi)有電源吸收電能的情況下獲得純泵升效應。

　　圖5：泵升電壓測試結果

　　表1和圖6展示了測試結果。（注意：某些泵升電壓超過(guò)了DRV8840產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的VM規范標準；這僅適用于測試。絕不建議該器件在超過(guò)規范標準的條件下使用。）

　　表1：泵升電壓的測試結果和計算結果對比

　　圖6：測試結果圖

　　圖7：當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

　　有兩種方法可控制VM泵升：

　　采用快速衰減模式。當DRV8840處于快速衰減模式的時(shí)候，圖4所示的升壓拓撲結構就不復存在了。通常情況下，反電動(dòng)勢EMF將一直低于VM電壓，因此根本不會(huì )發(fā)生VM泵升。但是這種情況下，減速至目標速度，將需要較長(cháng)的時(shí)間，如圖8所示。

　　圖8：快速衰減時(shí)沒(méi)有VM泵升

　　使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）來(lái)強行限制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，那么它將能強行限制 VM泵升（見(jiàn)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還充當了動(dòng)態(tài)制動(dòng)裝置，使得電機能快速減速。

　　圖9

　　總結

　　在電機減速過(guò)程中，VM泵升實(shí)際上是動(dòng)能回饋并轉換為電能的指示。其特性如下：

　　PWM驅動(dòng)中包含的泵升電路拓撲結構是為什么反電動(dòng)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(huì )引起VM泵升，但電機需要相對較長(cháng)的時(shí)間才能減慢速度。

　　TVS鉗位法或其它動(dòng)態(tài)制動(dòng)法可有效解決VM泵升過(guò)高的問(wèn)題，在降低VM泵升效應的同時(shí)又能保持較快的減速速度。