Motor Notes PWM驅動有刷馬達時的電流再生方法及其區別

本文將探討有關有刷馬達以PWM驅動時的電流再生方法及其差異。

有關有刷馬達的PWM驅動時的電流再生方法

在有刷馬達的PWM驅動過程中，關斷區間的電流再生方法主要分為兩種。一種是等效短接有刷馬達的兩個引腳。另一種是將電源的極性按照與導通區間相反的方向等效連接在有刷馬達的兩個引腳上。下面具體介紹一下這兩種方法。

等效短接馬達兩個引腳的再生方法

圖1為PWM驅動供給電流時（導通區間）和等效短接馬達兩個引腳的電流再生方法的等效電路。這裡省略了OFF的電晶體。

圖1：供給電流時和短接馬達兩個引腳的電流再生方法的等效電路

（a）供給電流時，Q1和Q4導通，馬達接通電源。等效短接馬達兩個引腳的方法有兩種。（b）在電流再生1的電路中，在（a）的狀態下將Q1關斷，斷開與電源的連接，使Q2導通，Q4保持導通，將馬達的引腳間短接。（c）在電流再生2的電路中，同樣將Q1關斷，但Q2保持關斷，Q4也保持導通，馬達電流經由Q2的寄生二極體迴圈流動。

圖2為使用了這種將馬達的兩個引腳端接的電流再生方法時的PWM工作波形。作為等效電路，（b）和（c）基本相同，所以波形也相同。為了更容易理解，電流波形峰值之間的變化繪製得比實際要大。

圖2：等效短接馬達兩個引腳的電流再生方法的PWM工作波形

時間t為∞，即當馬達發電電壓（Ec）為零時，穩定狀態的馬達平均電流值Iave如下：

 Iave＝Ea･m/R  ※Ea：馬達電源電壓，m：導通占空比，R：馬達等效電阻

因此，馬達電源電壓Ea乘以導通占空比m而獲得的電壓被施加到馬達。

將電源的極性按照與導通區間相反的方向等效連接在有刷馬達兩個引腳上的再生方法

接下來是另一種再生方法，即將電源的極性按照與導通區間相反的方向等效連接在有刷馬達兩個引腳上的再生方法，圖3是其等效電路。這種方法也分為兩種。

圖3：將電源極性按照與導通區間相反的方向等效連接在馬達兩個引腳上的電流再生方法的等效電路

（d）在電流再生3的電路中，使Q1和Q4關斷，使Q2和Q3導通，並使導通區間與馬達電源的極性相反。在該電路中，根據占空比，會流過反向電流。（e）在電流再生4的電路中，所有的電晶體關斷，但電流通過Q2和Q4的寄生二極體再生，等效施加在導通區間和馬達電源的極性是相反的。由於該電路是透過二極體連接的，因此不會流過反向電流。
如（d）所示將電源的極性按照與導通區間相反的方向等效連接在有刷馬達兩個引腳上進行電流再生並流過反向電流時，其電路的PWM工作波形如圖4所示。

圖4：圖3（d）的電源反接電流再生方法中，流過反向電流的電路的PWM工作波形

在（d）的電路中，當再生電流達到零以下時，電流會沿相反的方向流動，因此導通比為50％，馬達的平均電流變為零。當導通比為100%～50%時，平均電流沿某一方向流動；當導通比為50%～0%時，平均電流沿與大於50%時相反的方向流動。施加到馬達上的等效電壓如下：

 施加到馬達的等效電壓＝Ea・(m－50%)/50%  ※Ea：馬達電源電壓，m：導通比

接下來，如（e）的電路所示，進行電源反接的電流再生，圖5是無反向電流電路的PWM工作波形。

圖5：圖3（e）的電源反接電流再生方法中，無反向電流的電路的PWM工作波形

在（e）的電路中，與導通區間相反的方向不會有電流流動，因此即使導通比為50%，平均電流也不會變為零，但如果使導通比小於 50%，則平均電流會減少，並在0%時變為零。在電流瞬態波形中，當電流最小峰值大於零時，施加到馬達上的等效電壓如下：

 施加到馬達的等效電壓＝Ea・(m－50%)/50%  ※Ea：馬達電源電壓，m：導通比

無論哪種電路，由於存在寄生二極體的順向電壓，輸出電晶體 （MOSFET） 的高邊和低邊導通電阻也存在差異，因此實際施加的等效電壓都與根據所示公式計算得出的值略有不同。

小結

圖1-（b）和（c）等效短接馬達兩個引腳的再生方法中，再生電流是逐漸緩慢衰減的；而圖3-（d）和（e）將電源極性按照與導通區間相反的方向等效連接在馬達兩個引腳上的電流再生方法中，由於電流試圖反向流動的電壓被施加到線圈，因此再生電流會急遽衰減。

至於在PWM驅動時施加到馬達上的電壓，在等效短接馬達兩個引腳的再生方法中，會施加大約“電源電壓×導通比”的電壓。而在將電源的極性按照與導通區間相反的方向等效連接在有刷馬達兩個引腳上的再生方法中，將會施加約“電源電壓×（導通比－50%）/50%”的電壓

在將電源的極性按照與導通區間相反的方向等效連接在有刷馬達兩個引腳上的再生方法中，在使（d）的輸出電晶體導通且反向連接電路中，電流會反向流動，因此當導通比低於50%時，電流會反向流動。在使（e）的所有輸出電晶體都關斷且通過寄生二極體反向連接的電路中，不會流過反向電流，因此即使占空比小於50%，流過的也是基於導通比的正向電流。

※Ea：馬達電源電壓，m：導通比，R：馬達等效電阻