Как я могу реализовать рекуперативное торможение двигателя постоянного тока?

Я знаю, что многие электромобили способны преобразовывать импульс автомобиля в запасенную энергию в батареях, а не превращать его в бесполезную теплоту на тормозных колодках. Как это работает? Как я могу реализовать его самостоятельно?

37 голосов | спросил Phil Frost 26 Jpm1000000pmSat, 26 Jan 2013 17:42:28 +040013 2013, 17:42:28

1 ответ


64

Вероятно, у вас уже есть это, и просто не знал этого. Если вы управляете двигателем с полумостом или H-мостом и PWM или аналогичным, у вас есть регенеративное торможение. Рассмотрим полумост, так как для этого анализа мы будем запускать двигатель только в одном направлении:

простой полумост

Во-первых, давайте рассмотрим невосстановительное торможение. Если выход моста высок (S1 закрыт, S2 разомкнут), двигатель ускорится до полной скорости. Если мост теперь переключается на низкий уровень, двигатель не будет просто осторожно останавливаться до упора. Это будет slam , чтобы остановить, как будто кто-то, но тормоз. Почему?

Двигатель может быть смоделирован как индуктор цепи и источник напряжения. Крутящий момент двигателя пропорционален току. Источник напряжения называется back-EMF , и он пропорционален скорости двигателя. Вот почему двигатель потребляет больше тока, когда он загружен (или худший, застопорился): при уменьшении скорости задняя ЭДС уменьшается, и она меньше сопротивляется напряжению питания, что приводит к более высокому току. Давайте перерисуем нашу схему с этой моделью, со значениями, как будто наш двигатель вращается с высокой скоростью:

двигатель работает вперед

Этот двигатель работает на полной скорости. У нас есть небольшой ток для преодоления трения в двигателе, а обратно-EMF - напряжение питания, меньшее падение напряжения над R1. Не так много потоков, потому что back-EMF отменяет большую часть напряжения питания, поэтому L1 и R1 видят только 100 мВ. Теперь, что происходит, когда мы переключаем мост на низкую сторону?

только что переключенный мост

Сначала ничего. L1 предотвращает немедленное изменение тока. Тем не менее, это длится недолго и очень скоро (определяется константой времени \ $ L_1 /R_1 \ $, не более, чем пара \ $ ms \ $ обычно), back-emf (V1) изменил текущий ток , и теперь он идет в другом направлении. Это также довольно огромно, так как теперь L1 и R1 не видят небольшой разницы в \ $ V_ {B1} -V_1 \ $ (это было $ 100mV \ $), но теперь они видят полный 9.9V только от V1:

ток торможения

Теперь мы имеем поток большой , текущий в направлении напротив . Крутящий момент пропорционален току, поэтому теперь вместо того, чтобы применять мягкую силу по часовой стрелке, достаточно для преодоления трения, мы применяем жесткую силу против часовой стрелки, и механическая нагрузка быстро замедляется. По мере уменьшения скорости двигателя, так же как и V1, и, следовательно, ток и крутящий момент с ним, пока нагрузка больше не будет вращаться.

Куда шла энергия? Кинетическая энергия механической нагрузки - энергия. Он не может просто исчезнуть, верно?

Right. Если вы снова посмотрите на схему, у нас есть 9.9A, протекающий через R1. \ $ P_ {R1} = (9.9A) ^ 2 1 \ Omega = 98.01W \ $. Кинетическая энергия нагрузки была преобразована в тепло в сопротивлении обмотки двигателя (и в практичной цепи, а также в H-мостовых транзисторах). Некоторые двигатели будут уничтожены этой высокой мощностью. Другие не могут. Ток, создаваемый обратной ЭДС, примерно такой же сильный, как ток срыва двигателя, поэтому, если ваш двигатель может застопориться без перегрева, он может работать так же весь день.

Итак, как я могу сохранить энергию вместо того, чтобы преобразовывать ее в тепло?

Давайте посмотрим, что происходит немного после того, как мы начали торможение, но до того, как мы остановились:

торможение в середине пути

Двигатель значительно замедлился (back-emf равен 1 В), а ток уменьшился вместе с ним. Теперь, если мы переключим мост на высокую сторону?

зарядка аккумулятора

Ага! Мы заряжаем аккумулятор! Конечно, если мы останемся такими же длинными (опять же, определяемыми постоянной времени \ L_1 /R_1 \ $), то направление тока будет обратным, и мы будем заряжатьсянаша батарея, и ускорение нашего двигателя, а не торможение его.

Так что не делайте этого . Пока мы остаемся в этом состоянии, ток уменьшается. Таким образом, мы переключаемся обратно в другое состояние с низким мостом, поэтому back-emf может создавать текущую резервную копию. Затем снова переключаемся и снимаем часть батареи. Повторите, быстро.

Если это звучит так, как это обычно делается для управления двигателем PWM, это потому, что это так. Вот почему возможно, у вас уже есть это, и просто не знал этого.

Как только вы поймете принцип работы, вы можете сделать некоторые упрощения. Когда двигатель работает от PWM, индуктивность двигателя (L1) работает как маховик, усредняя напряжение, которое вы применяете к двигателю. Это как если бы у вас был настоящий маховик, и он вращал его, ударяя его молотком многократно. Таким образом, в этом примере напряжение питания составляет 10 В. Если наш рабочий цикл PWM составляет 80%, мы эффективно управляем двигателем с 8V (\ $ 80 \% \ cdot 10V = 8V \ $).

упрощенная модель

Всякий раз, когда обратная ЭДС больше этого напряжения, вы получаете регенеративное торможение. Это будет происходить всякий раз, когда рабочий цикл PWM уменьшается быстрее, чем внешние силы (например, трение) замедляет работу двигателя. Любое сопротивление в цепи уменьшает энергию, которую вы можете восстановить при механической нагрузке. В крайнем случае, когда рабочий цикл ШИМ уменьшается до 0%, а клеммы двигателя закорочены вместе, ток настолько высок, что потери достигают 100%. (\ $ P = I ^ 2 R \ $)

Вы также можете открыть all транзисторы на мосту, а ток индуктора вымрет через диоды на мосту. Тогда ни у задней части EMF, ни у батареи не будет пути для подачи тока, и двигатель будет свободно двигаться. Если, конечно, какая-то внешняя сила не ускоряет двигатель, чтобы вывести назад-EMF выше напряжения питания. Хорошим примером может служить автомобиль, спускающийся с холма.

Во всех остальных случаях вы получаете регенеративное торможение.

Практические последствия

Вы должны рассмотреть, что вы будете делать с механической энергией от двигателя. Батареи могут поглощать энергию, но есть предел, насколько и насколько быстро это зависит от типа батареи. Некоторые источники питания (например, линейные регуляторы напряжения) не могут поглощать энергию вообще.

Если вы не предоставляете место для энергии, либо батарею, либо какую-либо другую нагрузку в цепи, она перейдет в конденсаторы развязки питания. Если у вас достаточно энергии, возвращенной от двигателя и недостаточно емкости, напряжение на шине питания увеличится, пока что-то не сломается.

Вы должны спроектировать свою схему, чтобы этого не произошло. В электромобиле есть сложные контроллеры батарей, которые будут применять обычные тормоза, если батареи не смогут больше поглощать кинетическую энергию автомобиля. Вы также можете включить силовой резистор по рельсам питания или сконструировать ваш контроллер двигателя, чтобы отступить при торможении, если он становится слишком большим.

связанные вопросы

размышление, связанное с риторическим вопросом

Что произойдет, если у нас есть двигатель без сопротивления обмотки, и у нас есть способ управлять им, не добавляя дополнительного сопротивления (идеальные транзисторы и провода)? Очевидно, это более эффективно. Но как скорость двигателяменяются при приложении напряжения и механической нагрузки? Подсказка: если вы попытаетесь изменить скорость двигателя, увеличив или уменьшив механическую нагрузку, что делает обратная ЭДС для тока?

ответил Phil Frost 26 Jpm1000000pmSat, 26 Jan 2013 17:42:28 +040013 2013, 17:42:28

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132