При замедлении движущейся массы в приводе двигателя с постоянными магнитами энергия, накопленная в механической системе, может быть возвращена через драйвер двигателя к источнику питания. Если эта энергия не учитывается должным образом, она может привести к повреждению драйвера двигателя или остальной части системы, вызывая увеличение напряжения питания.
В этой статье мы рассмотрим способы безопасного рассеивания этой энергии. Для упрощения примеров показан щеточный двигатель постоянного тока. Это применимо и к системам бесщеточных двигателей.
Сохранение энергии
Сохранение энергии — основной принцип физики: энергия не может быть создана или уничтожена.
Когда что-то (например, масса) движется или вращается, оно накапливает кинетическую энергию. В системе двигателя эта кинетическая энергия исходит от источника питания, который обеспечивает электроэнергией двигатель. В свою очередь, электромотор создает крутящий момент для ускорения массы.
Энергия хранится как в инерции ротора двигателя, так и в механической системе, прикрепленной к двигателю. Для простоты представьте себе механическую систему как маховик, соединенный с валом двигателя. Кинетическая энергия может быть рассчитана с помощью формулы ½ Iω 2, где I — момент инерции, а ω — угловая скорость. Чем выше скорость или больше инерция, тем больше энергии сохраняется.
Это очевидная концепция — для того, чтобы что-то двигалось, нужна энергия. Менее очевидно то, что происходит, когда вы хотите остановить движение. Чтобы остановить или замедлить движущуюся массу, накопленная кинетическая энергия должна куда-то деться . Но куда?
Когда вы отключаете питание вращающегося двигателя, энергия, накопленная в движущейся массе, рассеивается в механических потерях в системе. Большая часть этой энергии превращается в тепло из-за трения. Если нет большого трения, двигатель очень медленно останавливается по инерции. Двигатель превращается в генератор, но поскольку нет пути для тока, нет и электромагнитного момента, который помог бы остановить двигатель.
Если обеспечить путь для тока от этого генератора путем закорачивания выхода двигателя, ток создает крутящий момент в направлении, противоположном направлению вращения. Это приводит к быстрой остановке двигателя. В этом случае энергия в основном рассеивается в виде тепла в сопротивлении обмотки двигателя, а также в любом сопротивлении на пути тока, закорачивая двигатель.
Иногда это называют «коротким торможением». На самом деле, короткое замыкание обычно осуществляется путем включения нижних МОП-транзисторов Н-моста для обеспечения пути тока.
Когда система управления хочет быстро уменьшить скорость двигателя, полярность тока, подаваемого на двигатель, меняется на противоположную, чтобы обеспечить крутящий момент, противоположный движению. Когда это сделано, сохраненная кинетическая энергия может быть возвращена обратно через схему драйвера двигателя в источник питания.
Если бы источником питания была идеальная батарея, то энергия текла бы обратно в батарею и перерабатывалась. Однако в реальном мире источником питания обычно является источник постоянного тока. Если такое устройство не разработано специально, источник постоянного тока может только выдавать ток. Поскольку он не может отводить ток, единственное место, куда должна идти энергия, — это емкость, которая является частью источника питания.
Количество энергии, хранящейся в конденсаторе, можно рассчитать с помощью формулы ½ CV 2 , где C — емкость, а V — напряжение. Напряжение на конденсаторе должно увеличиваться по мере поступления в него энергии.
Если количество энергии невелико (либо скорость мала, либо инерция мала), то увеличение напряжения может быть достаточно малым, чтобы не вызвать никаких проблем. Однако в некоторых случаях, если энергии слишком много или емкости недостаточно, напряжение может возрасти до разрушительных уровней. Это может повредить схему управления двигателем или другие схемы, подключенные к тому же источнику питания.
Рассеивание энергии
Есть несколько способов, которые позволяют справиться с энергией, возвращающуюся обратно в источник питания. Один из них — разместить большой конденсатор на источнике питания. В некоторых случаях этого может быть достаточно, но в большинстве случаев большие конденсаторы непрактичны из-за физических или стоимостных ограничений.
Другой способ справиться с энергией — использовать полупроводниковое зажимное устройство на источнике питания, например TVS или стабилитрон. Зажим предназначен для пробоя при напряжении чуть выше нормального рабочего напряжения источника питания. Когда рециркулированная энергия приводит к повышению напряжения, зажим прорывается и защищает систему. Энергия, возвращаемая в источник питания, рассеивается в виде тепла в зажимном устройстве.
Если количество энергии невелико, это решение простое и легкое. Однако в более крупных системах использование простого зажима часто нецелесообразно, поскольку количество энергии, которое необходимо рассеять, слишком велико. В этих случаях можно использовать схему активного зажима для рассеивания энергии в резистивной нагрузке.
Схема зажима работает, контролируя напряжение питания с помощью компаратора или аналогичной схемы. Если напряжение превышает заданный порог (чуть выше нормального рабочего напряжения), нагрузочный резистор переключается на источник питания для рассеивания энергии.
