MPS小课堂 | 制动秘籍之踏雪无痕篇

接上篇“制动秘籍之基础篇”

刹车制动除了要遵守交通规则，还有能量守恒规则。

如图1所示，当电机驱动器进行反接制动减速时，在制动过程的①阶段内，存储在电机内的动能会通过电机驱动器以电能的形式返回至电源，给母线电容进行充电，这将会导致母线电压的升高，一旦机电系统无法正确地处理这一部分的能量，那么节能减排的好事将会变成破坏性的伤害——这个升高的电压可能会击穿驱动或者其他接至相同电源的电路。(想要详细了解电机制动方式和基础知识的小伙伴们可以去看上一篇文章“制动秘籍之基础篇”。)

图1：直流电机系统反接制动图

对于处理制动回流的能量，一共有三招：

• 第一招是吸收——增加母线电容的容值，该方法比较适用于小功率的场合。

• 第二招是耗散——采用有源钳位的方式，将回流的能量通过热的形式散发出去。

• 第三招是转换——这一招变化多端，可以是将能量回馈到电池端或者逆变入电网，当然也可以将多个负载母线并联，使得回流的能量供给其它负载使用。

这一招仿佛吸星大法般，将回流的能量通过母线电容进行吸收。但是，一个最重要的问题就是，多大的电容是合适的？（土豪可以不管那么多。）这里小编用一个比较简化的方法进行求解。制动回流的能量是从电机轴端通过电机到驱动器，最后到母线上的，所以制动回流的最大功率可表示为：

P_max = P_motorM_BRŋ_driverŋ_motor（1）

其中P_motor是电机运行的功率；M_BR是电机制动瞬间的功率放大系数，这是考虑到制动瞬间的功率很大，所以在电机运行功率的基础上进行放大，通常可选取160%；ŋ_driver是驱动器的效率，通常为98%；ŋ_motor是电机的效率，通常为90%。

在母线端，电容的吸收能量的能力肯定是要强过制动回流能量的，这才能够将电压稳在安全等级之下，所以根据电容功率公式可得：

0.5C(U_clamp - U_BSB)² ≧ P_max（2）

其中C为电容容值；U_clamp为所需的钳位电压，母线电压不能超过该钳位电压；U_BSB为电机正常工作时的母线电压。将式（2）进行变换可得所需电容的容值选取范围：

C ≧ 2P_max / (U_clamp - U_BSB)² （3）

对于大功率系统，由于制动时回流的能量更多，导致制动瞬间母线电压会被升高更多，因此即时地将回流的能量消耗掉才是较为有利于系统的解决方法。如图2，可以采用有源钳位电路将制动回流能量的消耗，从而达到降低母线电压的作用，这种方法在伺服系统中经常被使用。

    当母线电压上升使得采样电压超过参考值Ref时，有源钳位电路中的MOSFET开通并将能量消耗在刹车电阻上。对于刹车电阻的选取，一般要考虑两点：

① 在制动瞬间，回流能量所带来的母线电压升高是否能够被快速地抑制掉，这和电阻的阻值有关，通常为几欧至几十欧。

② 由于制动回流的能量是通过刹车电阻转换为热能散发出去的，所以刹车电阻的额定功率要符合散热的要求。对于实际的选择，可能还得结合整个系统的应用工况和功率大小，此处就不再继续展开了。

图2：有源钳位电路耗散能量

这一招有几种变招，可以根据实际情况进行使用：如果整个系统中是采用电池进行供电的，那么回流的能量将会被馈入电池端；如果整个系统是一个电网的系统，可以通过逆变将能量馈入电网；如果整个系统是母线上并联了多个负载的系统，如图3所示(此处是电机负载)，并且多个电机进行工作时不会同时运行在制动状态，那么回流的能量就能够被其余正在运行的负载利用起来，简单实惠。

这一招有几种变招，可以根据实际情况进行使用：如果整个系统中是采用电池进行供电的，那么回流的能量将会被馈入电池端；如果整个系统是一个电网的系统，可以通过逆变将能量馈入电网；如果整个系统是母线上并联了多个负载的系统，如图3所示(此处是电机负载)，并且多个电机进行工作时不会同时运行在制动状态，那么回流的能量就能够被其余正在运行的负载利用起来，简单实惠。

图3：母线并联系统

少侠，请留步。如果你还想深入研究制动的艺术，量化分析，那么请点击文末“阅读原文”查看，这里面的内容更加的详细精彩。青山不改，绿水长流，咱们后会有期。