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为什么电源电流与电机电流不同?

为什么电源电流与电机电流不同?

为什么电机电流为10A而供电电源 只有1A?
控制电机(感性负载)的H桥是如何工作的?

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王雪

2021-7-20 14:23:07
为什么无刷电机电流和电源电流不同

电机电流比DC供电电源电流低是因为电机驱动器相当于一个降压DC/DC转换器。忽略由于转换损耗、换向和换向细节(参见下文)等因素,是因为(电源输出电压)x(输出电流)应当等于(电机电流)x(电机有效电压),然而电机有效电压小于电源输出电压造成的。
了解内部的原理
从电气的角度分析
要了解为什么电源电流与电机电流不同,有必要了解控制电机(感性负载)的H桥如何工作。
例如,假设使用直流有刷电机。 还假设使用2个象限工作的H桥方案,如下图所示:

让我们分析一下上图H桥的工作状态。BL晶体管处于打开状态,所以可以简单看作短路。BH处于关断状态,可以简化为断路。AL晶体管处于关断状态,但是它的内部二极管可以作为续流二极管,所以可以忽略这个晶体管的存在,只把它看作一个二极管。AH是处于不断开关的晶体管,所以它的内部续流二极管可以被忽略掉,只把它看作一个晶体管。再考虑电机的电气模型得到简化的模型威廉希尔官方网站 ,如下图所使:

可以看出,电机及其开关模型可以简化为DC/DC Buck转换器。 同样适用于三相H桥驱动威廉希尔官方网站 。
分析模型
要分析为什么电机的电流高于电源输入电流,就必须应用基本的DC/DC转换器原理。
在开关周期内,流过DC/DC转换器的电流可以分为两部分,即晶体管处于打开状态(占空比)和处于关闭状态(1-占空比)时的电流。 下图显示了两种情况下的电流流动。

可以看出,电流始终流过电机,而不是始终流过直流母线。 由于电机是感性的,并且流经电感的电流永远不会突变,因此当AL晶体管切换为OFF时,电流将通过二极管再循环。 通过电感的电流计算公式如下:
i L = 1 L ∫ V L d t i_L=frac{1}{L}∫V_Ldt iL=L1∫VLdt
下图显示了工作时一个开关周期内的电压和电流波形。

可以看出,在TON中,电感由于其上的正电压而存储能量,因此它的电流上升。 在TOFF中,电流由于负电压(如果忽略电动机的电阻,则为-BEMF)而下降,依此类推,电感损失能量(转移至电机并转换为运动,发热等)。 计算电流时,电流值将是该电流纹波的平均值。
现在,让我们看看为什么输入电流可以与输出电流不同。 如前所述,电流始终流过电感,但只有TON流过AH晶体管,这意味着流过电感的平均电流不相等,并且这些电流的平均值对应于这些电流的RMS或DC值。 下图以图形方式进行展示。

从能量守恒的角度分析
理解这种转换的另一种方式是将开关转换和电感视为 “黑匣子”,该黑匣子仅在TON期间存储能量,而在TOFF期间能量降低。 如果忽略功率损耗则如下图所示:

在上图中,输入电压,BEMF和输出电流是固定值。 由于Pin = Pout必须相等(电感器不能永远存储能量并且必须达到稳态),所以输入电流值将遵循以下这个公式:
P i n = P o u t → V d c ⋅ I d c = B E M F ⋅ I o u t → I d c = B E M F ⋅ I o u t V d c P_{in}=P_{out}→V_{dc}⋅I_{dc}=BEMF⋅I_{out}→I_{dc}=frac{BEMF⋅I_{out}}{V_{dc}} Pin=Pout→Vdc⋅Idc=BEMF⋅Iout→Idc=VdcBEMF⋅Iout
因此,如果BEMF的电压低于直流电压,则直流电流的值将低于电机电流,因为必须保持功率平衡。 如果电机速度高,反电动势电压(BEMF)将增加。 对于给定的电流,PWM占空比将更高。 这意味着在最大电机速度(最大PWM占空比)下,电机电流值将接近电源电流值。
总结
电机驱动器相当于降压转换器。 驱动器产生的电机有效电压始终等于或低于直流总线电压。
因此,为了保持输入和输出的功率平衡,电机输出电流应高于输入电流。
对于无刷电机,这会变得很复杂,但其原理类似于有刷电机。
在低速时,电机和直流母线电流之间的差异很大。
在最高电机速度下(∝高BEMF),电机电流和电源电流将接近。
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