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电机的使用分析,不怕绕的进来跟着绕

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本帖最后由 幸福至上 于 2015-12-14 10:40 编辑

这里分析的电机是指微型功率的直流电机(<50W)及其H桥驱动电路,其驱动电路模型图如下图1所示:
图1

图中,S1,S2,S3,S4指代用于控制电机电流通路通断的开关器件,它们平时都处于断开状态;D13,D14,D15,D16为四个续流二极管,个人经验认为这四个二极管的选择时考虑正向最大电流和反向电压即可,一般为电机驱动电流和电压的1.5倍及以上,且不用考虑恢复时间参数。

现在进行H桥驱动时的电机电流分析:

1、S1,S4闭合,电机两端有电压差且存在电流通路,则电机会开始运动,此时的电机转动假定为正转,驱动电路中的电流方向和电机两端电压极性应该是这样的:

图2

    如果要停止驱动电机,则断开S1,S4。因为电机是感性元件(即电感),根据楞次定律:感应电流会阻碍线圈中的电流变化,即当停止对电机驱动后,电机线圈中产生的感应电流方向和原来的通电电流方向一致的,但此时的感应电动势方向却是和之前电机两端的电动势相反的,且主要是感生电动势,即由于线圈中磁通量变化而产生的,而很少是由于外带的机械结构在缓慢地停止过程中带动转子切割磁场而产生的动生电动势。如下图所示:
图3
    因为之前停止驱动电机,就已经断开了四个开关,但电机产生的感应电动势应该泄放掉,此时就有由D14,D15二极管和电机构成了一个电流通路,使电机产生的感应电动势被顺利泄放出去,不然S2,S4开关很容易因为过压而击穿或发生放电。这也正是电机H桥驱动电路中为何需要二极管的缘故。
   那么问题来了:断开对电机的驱动后,电机所产生的感应电动势是左负有正,那为什么电流方向不能是从电机右边的感应电动势正端流向电机左边的感应电动势负端呢???我感觉可能是电源正负和元件正负的差别吧?
   另外,现在很多的直流电机驱动芯片,如L298N,有一种控制模式叫Fast Motor Stop,即快速制动,切换到该控制模式,可以使正处于运动中的电机快速制动,从H桥驱动原理来看,就是使电机两端都为正极性,从而立即截断电机电流。
图4(L298N的几种控制模式)
   如果电机之前处于正转状态(S1,S4闭合,S2,S3断开),要对电机进行制动,就断开S4的同时,闭合S2,则此时电机两端的电压极性和电流方向又该是如何的呢?这个实在不知道如何分析了,求各位大大帮忙看下。。。召唤大神些个:lol@chunyang @受不了了 @玄德 @cauhorse

图5(电机制动时)

  

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沙发
玄德| | 2015-12-14 00:12 | 只看该作者

1、同意你的分析,确实是电源与负载的区别。——把“元件”一词改为负载更合适。
  这时的电机,实际上就是电源了;而在电源内部,电流是从低到高,因为它是电源,它有“力量”。
  (ps:黑体字的表述,左右两字可能说反了。)
  
2、把电机线圈两端的电势强制为0。。。电流方向应当没有变化。
  记得大概是电机,在运输途中线圈都是有意短接的,形成强阻尼。
  分析这个电流,必须把那两个功率驱动的小三角,用具体的推挽电路来替代。
  否则可能陷入理论死角:把电压源两端用理想导线短接,它的电压是多少?

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幸福至上|  楼主 | 2015-12-14 10:48 | 只看该作者
玄德 发表于 2015-12-14 00:12
1、同意你的分析,确实是电源与负载的区别。——把“元件”一词改为负载更合适。
  这时的电机,实际上就 ...

谢谢你的提示,确实是左右写反了,(⊙﹏⊙)b。对于第一点,我也查了一些资料,确实是电源和负载的电压极性所意味的电流方向不一样。流过负载的电流是从负载的正极到负极,而电源之所以是电源,是因为有做功的力,可以将电流从电源的负极抬升到正极。断电后的电机,产生感应电动势,此时大致也可以看成一个电源吧。之前分析电机的感应电流和感应电动势糊涂了,这下子明白了。

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幸福至上|  楼主 | 2015-12-14 11:01 | 只看该作者
玄德 发表于 2015-12-14 00:12
1、同意你的分析,确实是电源与负载的区别。——把“元件”一词改为负载更合适。
  这时的电机,实际上就 ...

对于第二点,我想先讨论电源短接的问题,因为现实中是不存在理想导线,即都会有电阻,所以即便用导线短接电源两极,此时通过导线电流应该仍遵循欧姆定律,I=U/R,R很小时,I就很大,所以通过导线的电流就会很大。如果该电源的能量很强,材料强度够高,则猜想电源两端的电压应该保持不变,不然可能会出现电源两端的电压下降,电源发热等现象吧。。。至于真正地用理想的导体短接,那就不知道会如何了?有机会用超导体做一发实验就知道了

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幸福至上|  楼主 | 2015-12-14 11:09 | 只看该作者
玄德 发表于 2015-12-14 00:12
1、同意你的分析,确实是电源与负载的区别。——把“元件”一词改为负载更合适。
  这时的电机,实际上就 ...

而且,其实在对电机停止驱动后,电机自身所产生的感应电动势和由此导致的感应电流,所产生的磁场对电机自身的运动就会有一个阻尼作用。只是还不是很明白FastStop模式的工作情况,其中电流,电压变化,以便更好地设计电机驱动电路。

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6
chunyang| | 2015-12-14 12:46 | 只看该作者
注意基本概念——电容两端的电压不能突变,流过电感的电流不能突变。对于电感,外部激励突然撤掉,自感电动势将趋于维持原电流(姑且用续流二极管构成回路来分析),从这一点分析就该明白了,别在电压上绕。

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7
cpu51| | 2015-12-14 16:18 | 只看该作者
把制动独立出来,多个继电器,专门用于制动,或S1,S2采用双接点,其中一幅用于制动。

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8
diy1997| | 2015-12-14 21:35 | 只看该作者
说下浅见:

S2 ,S3断开, S1, S4闭合。

停止时,理想状态下,S1 和 S4 同时断开。


因为S2 和 S3 原来是断开的,

所以电机上的电压不能和电源叠加,

对S1,S2,S3,S4 没有冲击。

但如果是S1 断开,如果没有二极管,电机上的电压经过S4 和电源叠加在S1上,


如果有二极管,电机上的电压经过S4 和D15泄放;

如果S4断开,如果没有二极管, 电机上的电压通过S1和电源叠加在S4,

如果有二极管,电机上的电压通过D14 和S1 泄放 。

以上特别是应用PWM调速时更重要。

制动时,如果是S1 , S2闭合,S3, S4断开,

电流根据方向,由S1 和 D14, 或由S2  和D 13形成回路,

产生和电机转向相反的力使转子停下。

如果是S3 , S4闭合,S1, S2断开,


电流根据方向,由S4 和 D15, 或由S3  和D 16形成回路。









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9
幸福至上|  楼主 | 2015-12-14 23:24 | 只看该作者
diy1997 发表于 2015-12-14 21:35
说下浅见:

S2 ,S3断开, S1, S4闭合。

首先谢谢97兄的细致回答,分析得很是细致了。你所作的大部分分析我都是赞同的,不过还有几点不明的地方:1、“因为S2 和 S3 原来是断开的,所以电机上的电压不能和电源叠加",这句话中没明白电压和电源叠加是什么意思。。。2、当电机制动时,是需要S1,S2接通才行,S3,S4接通是不行的,我使用过L298N试过:当对运动中的电机两端同时输出高电平时,电机能够立即制动,而如果对电机两端输出低电平,电机是会随着所带动的机械结构缓慢停止的。这点和你最后所分析的有些不一样,希望更详细地讨论下。:)

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10
diy1997| | 2015-12-15 09:16 | 只看该作者
幸福至上 发表于 2015-12-14 23:24
首先谢谢97兄的细致回答,分析得很是细致了。你所作的大部分分析我都是赞同的,不过还有几点不明的地方:1 ...

s1 先断开(无二极管):

s1 先断开(有二极管):

制动我是按 H 桥来分析的,不是按L298N.

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11
cauhorse| | 2015-12-15 21:57 | 只看该作者
不多说,楼主可以找一下如下主题:
能耗制动(包括使用制动电阻以及这个电阻在桥路中的接法)
再生制动(也叫发电制动)、能量回馈

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12
幸福至上|  楼主 | 2015-12-15 23:29 | 只看该作者
chunyang 发表于 2015-12-14 12:46
注意基本概念——电容两端的电压不能突变,流过电感的电流不能突变。对于电感,外部激励突然撤掉,自感电动 ...

明白这一点,但还是分析不过来。看来可能是一些理论基础知识没学好,导致的吧。+_+,就是不明白电机在断电后的电流通路是如何的。。。

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13
幸福至上|  楼主 | 2015-12-15 23:36 | 只看该作者
diy1997 发表于 2015-12-15 09:16
s1 先断开(无二极管):

s1 先断开(有二极管):

谢谢97兄这么早就做回复。今早我就看到,但一直没回,是想明白清楚一些了再沟通。看你的S1先断开(无二极管情况),我的理解是这样的,图片右边的电源代表的是外部电机电源激励,当S1断开,感应电流会继续顺着之前的通路,通过S4到达电源负极,然后再到电源正极,并在S1出形成电压。有二极管的情况就更好理解了。但我还是疑惑,为什么要以单边驱动侧断开的情况来分析呢,如果是S1,S4同时断开的话,那么情况又该是如何的呢?这个暂时还不明白.;)

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14
diy1997| | 2015-12-16 13:16 | 只看该作者
幸福至上 发表于 2015-12-15 23:36
谢谢97兄这么早就做回复。今早我就看到,但一直没回,是想明白清楚一些了再沟通。看你的S1先断开(无二极 ...

你要怎么实现S1,S4同时断开?




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15
diy1997| | 2015-12-16 13:44 | 只看该作者
幸福至上 发表于 2015-12-15 23:36
谢谢97兄这么早就做回复。今早我就看到,但一直没回,是想明白清楚一些了再沟通。看你的S1先断开(无二极 ...

这些问题我前面已经说过了,只是你可能没有看仔细。

其实你向指定的人提问,我不好不请自来的。

只是看你和我当年一样蠢萌蠢萌的,

总是向前辈问一些在他们看来不值一提的问题......:lol



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16
幸福至上|  楼主 | 2015-12-16 14:43 | 只看该作者
diy1997 发表于 2015-12-16 13:16
你要怎么实现S1,S4同时断开?

难道其实H桥驱动电路的同时断开只是理想状态,其实两侧断开都是有时间差的?

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17
幸福至上|  楼主 | 2015-12-16 14:46 | 只看该作者
diy1997 发表于 2015-12-16 13:44
这些问题我前面已经说过了,只是你可能没有看仔细。

其实你向指定的人提问,我不好不请自来的。

呃,这估计也得归功于大学的一些基础课程没学好吧,比如电路分析。 看来97兄是过来人了,,请多指教了。我一直认为只要认认真真地弄明白一个问题,搞清本质原因。那不论简单与否,都是很大的收获了 ;)

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18
huangqi412| | 2015-12-16 15:51 | 只看该作者
BLDC六步换相:同步续流,ABS刹车。  最基本的概念。。。

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19
幸福至上|  楼主 | 2015-12-16 23:41 | 只看该作者
cauhorse 发表于 2015-12-15 21:57
不多说,楼主可以找一下如下主题:
能耗制动(包括使用制动电阻以及这个电阻在桥路中的接法)
再生制动(也 ...

非常感谢你的提示,按照你所提出的主题查了一下,就明白了一些了,细节还需要仔细研究下。:)

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20
幸福至上|  楼主 | 2015-12-16 23:48 | 只看该作者
”所以电机上的电压不能和电源叠加,对S1,S2,S3,S4 没有冲击。“这句话是否是如此理解:因为S1,S2,S3,S4都是断开的,虽然电机断电有产生感应电动势,但此时并无流通通路,S1,S2,S3,S4连接处也就并无压差?@

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