智能車模電機(jī)驅(qū)動(dòng)是否需要加制動(dòng)電阻?
發(fā)布時(shí)間:2020-11-24 來(lái)源:卓晴 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】制動(dòng)電阻也稱為動(dòng)能制動(dòng)電阻(dynamic braking resistor),它主要是將被制動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)能耗散在功率電阻上以制動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)。為什么在某些伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上有制動(dòng)電阻?在智能車模電機(jī)驅(qū)動(dòng)上是否也需要加制動(dòng)電阻?
制動(dòng)電阻也稱為動(dòng)能制動(dòng)電阻(dynamic braking resistor),它主要是將被制動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)能耗散在功率電阻上以制動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)。
當(dāng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)在制動(dòng)狀態(tài)時(shí),此時(shí)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī),它將機(jī)械系統(tǒng)的制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換成電能。如果電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不具備逆變功能,即將電重新轉(zhuǎn)換成一次能源回饋到電網(wǎng),或者蓄電池內(nèi),那么只能通過(guò)功率電阻來(lái)消耗掉制動(dòng)能量。否則這些能量無(wú)處可去,就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部過(guò)壓,過(guò)流,損壞驅(qū)動(dòng)電路。
本質(zhì)上講,小型車模在減速制動(dòng)的時(shí)候,車模的動(dòng)能也需要被消耗掉,車模才能夠停止。
車模動(dòng)能消耗的途徑包括有:模輪胎與地面的摩擦阻力、車模電機(jī)到車輪的傳動(dòng)阻力、電機(jī)吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能消耗在驅(qū)動(dòng)電路中、轉(zhuǎn)變成電能重新反充到車載電池中。
在一個(gè)車模輪子上增加有一個(gè)質(zhì)量塊,來(lái)模擬整車運(yùn)行時(shí)慣性質(zhì)量。通過(guò)齒輪上的光碼盤可以測(cè)量車輪轉(zhuǎn)速。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看一下車輪減速時(shí)的情況。
車模減速最簡(jiǎn)單的一種情況,就是不再給電機(jī)施加驅(qū)動(dòng)電壓。即將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路斷開(kāi)。如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊有使能端,將使能端至于緊致?tīng)顟B(tài),驅(qū)動(dòng)模塊輸出端口呈現(xiàn)高阻狀態(tài),此時(shí)相當(dāng)于將電機(jī)從電路中斷開(kāi)。
車模的機(jī)械動(dòng)能只能消耗在與地面的摩擦力以及傳動(dòng)系統(tǒng)的阻力中。一般情況下,摩擦阻力與速度無(wú)關(guān),是一個(gè)常量,所以車輪減速加速度是一個(gè)恒定值。車速直線下降。
下圖顯示了電機(jī)從驅(qū)動(dòng)電路斷開(kāi)之后,速度下降的情況。
上圖顯示,電機(jī)近似勻速減速,經(jīng)過(guò)大約1秒鐘,速度減少到0。這是依靠車模內(nèi)部機(jī)械摩擦力消耗動(dòng)能,減速過(guò)程有點(diǎn)慢。
車模減速的第二種情況,就是講電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓降至0,此時(shí)相當(dāng)于將電機(jī)兩端短路。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路形成回路,產(chǎn)生制動(dòng)阻尼電磁力矩。
此時(shí)電機(jī)的動(dòng)能,一部分就通過(guò)電機(jī)制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換成電能,消耗在驅(qū)動(dòng)電路中。由于增加了電機(jī)制動(dòng)力矩,車模停止速度就加快了。下圖顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓降低到0時(shí),減速曲線,速度降低到0只需要0.5秒。
由于電機(jī)制動(dòng)電流與反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比,也就是與轉(zhuǎn)速成正比,所以電機(jī)制動(dòng)力矩與速度成正比,呈現(xiàn)阻尼特性。速度下降不再是線性下降。
這種情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)阻、驅(qū)動(dòng)電路功率管內(nèi)阻就形成了制動(dòng)電阻,消耗了所有電機(jī)制動(dòng)發(fā)出的電能。由于車模質(zhì)量比較小,這部分能量還不足以燒壞電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路。如果車模質(zhì)量進(jìn)一步增大,這種制動(dòng)方式就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。
好在車模比較小,所以為了進(jìn)一步加快制動(dòng)效果,還可以通過(guò)反向施加電壓來(lái)提高電機(jī)制動(dòng)力矩。下面是通過(guò)施加相同的反向電壓,車模速度的變化情況。
上圖可以看出,車模的速度下降更快,從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。如果是為了停止車模,則需要在車輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)反轉(zhuǎn)時(shí)停止施加反向電壓,及時(shí)停止車模。
下圖對(duì)比了以上三種制動(dòng)方式:電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路斷開(kāi)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為0、施加反向電壓。
反向施加電壓減速最快。在同樣的轉(zhuǎn)速下,施加反向電壓只需要0.2秒左右就完成車模停止。
施加方向電壓的大小與車模停止時(shí)間之間的關(guān)系如下圖所示。一方面反向電壓越大,車模停止時(shí)間越小。但當(dāng)反向電壓超過(guò)一定數(shù)值之后,停止時(shí)間就趨向于常數(shù)。這是由于電機(jī)內(nèi)部的電感、電阻阻礙了制動(dòng)電流快速增長(zhǎng)的原因。
上面三種方式制動(dòng),車模的動(dòng)能都會(huì)消耗在摩擦阻力、電機(jī)內(nèi)阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻中,不會(huì)產(chǎn)生再生電能反充到車模電池中。
如果希望將車模動(dòng)能反充到電池中再利用,則需要制動(dòng)時(shí),將電機(jī)兩端的驅(qū)動(dòng)電壓降低,但不到0,或者反向,此時(shí)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路逆變電能,反充到驅(qū)動(dòng)電路母線上。如果母線上有蓄電池,這部分電能將會(huì)反充到電池內(nèi)。
下面動(dòng)圖顯示電機(jī)電壓突然降低時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流變化。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓突變時(shí),電機(jī)電流也會(huì)都突變,基本上突變前期都是反向電流。如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有突變到0,或者反向,此時(shí)反向電流就會(huì)形成再生電能,反向回饋到驅(qū)動(dòng)電路母線上。如果機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能很大,再生電能就會(huì)很可觀。
將再生電能重新逆變到電網(wǎng),或者蓄電池中則可以節(jié)省能源。
對(duì)于中小功率的伺服電機(jī),為了減少設(shè)計(jì)成本,一般不包括逆變電路。所以只能將制動(dòng)再生電能通過(guò)電阻消耗掉。
對(duì)于小型的車模,制動(dòng)電阻也可以省略掉,直接使用電機(jī)內(nèi)阻和驅(qū)動(dòng)電路板內(nèi)阻還消耗再生電能。
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