电机线圈放电的原因分析及处理办法

发布时间：2013-2-13 20:43 发布者：Liming

　　问：为什么在我们关断电源的时候，需要注意线圈的放电，而电阻就不需要？
　　答：我们都知道能量守恒是指能量并不会消失，而是从一种形式转换到了另外一种形式。当电流走过电阻的时候，能量变成了热量，向四处散发出去了。而当我们的电能连接到线圈，也就是电感的时候，电能被转化为磁能了。磁场能量是比较容易与电能发生自动转换的。当我们关断电源的时候，线圈内存储的磁能转化为电能，用来弥补渐渐消失的电场。从外在的表现来看，即线圈的电流会慢慢地下降下来。也就是通常我们说的：电感类负载是可以保持电流的连续性的。这个时候，如果我们不仅仅是将电源关断，而是将电感负载一端的电路完全开路的话，我们不仅仅会看到电流的连续下降，同时还可以看到电感两端电压的急速上升。当这种电压增强到一定程度的时候，就可以击穿空气形成火花。这种原理解释了为什么直流有刷电机在换向的时候会出现火星，同样也解释了在我们七八十年代的生活中拉断电闸时可以看到火花蹦出的现象（图1）。

　　图1，直流电机火花，及电闸火花

　　问：火花是危险的，那么如何处理呢？
　　答：既然基本造成火花的原因是电感类负载即使是断路的情况下也会尽量顽强地保持电流的连续性。那么，我们将保持电路的通路性作为解决问题的基本原则。一种简单基本的方法是在电感两端放置二极管。当电路切断电路的时候，电感两端的电压会上升。当电压上升到一定程度的时候，二极管会被导通。从而为电流提供了一条通路，而能量可以得到安全的释放（图2）。

　　图2，此电路中能量可以得到安全的释放

　　问：在集成电路驱动的电机线圈中，放电如何处理？
　　答：电机线圈的放电一般称之为DECAY。上面说到的外加二极管的方式同样适用。你可以将电机如下图连接（图3）。

　　图3，连接电机

　　当然，集成电路有本身自己的特性，于是我们可以通过对电路的操作，在不依赖外加二极管的情况下实现安全放电。这里有三种方式：A-SYNC MODE、SYNCMODE FAST DECAY和SYNC MODE SLOW DECAY。
　　下图为我们一般操作直流电机时电路的连接方式。电机通过H桥结构的四个MOS管实现正转或反转。现在电机在正转，而左上右下两个MOS管导通，电流正从左边流向右边（图4）。

　　图4，操作直流电机时电路的连接方式

　　这时我们将电机停下，同时需要处理电机线圈中储藏的能量。
　　第一种方式A-SYNC FAST DECAY。根据集成电路的工艺，MOS管中一定会集成一个体二极管，连接在漏极和源极之间。通过对二极管的处理，我们可以使之承受不同的电流强度。那么，在停机时，如果我们将四个MOS管全部关断，那么电流将会沿着体二极管泄流出去。如图5所示。

　　图5，第一种方式A-SYNC FAST DECAY

　　这时有两个现象会发生，第一：在电机线圈左边会出现低于地的负电压，幅值为二极管击穿电压，而线圈右侧的电压出现比电源电压高的正电压。第二：二极管上的能量散发为Vdiode×Icoil，发热比较厉害。
　　第二种方式SYNC MODE FAST DECAY。这种方式下，停机时我们将左下及右上两个MOS管打开。电机中的电流在停机开始阶段依然为从左往右。通过两个开通的MOS管的连接，能量循环入电源系统（图6）。

　　图6，第二种方式SYNC MODE FAST DECAY

　　这种方式下也有两种现象：第一：施加在线圈上的电压与线圈本身电流的方向相反，从而线圈中电流衰减的速度比较快。第二：在芯片上整体产生的热量为Rdson×Icoil2，因为MOS管的导通电阻Rdson一般都相当小，因此芯片的散热量较小。
　　第三种方式SYNC MODE SLOW DECAY。在这种方式下，在停机时，我们将两个下管导通。线圈中的电流依然是从左到右。因为两个下关的导通，使得在电路原理上我们等效于将电机线圈两端短路，因此，电流能量在电机线圈及MOS管组成的闭环系统中循环消耗。
　　这种方式也同样有它自身的特点：第一，在散热方面，它与SYNCMODE FAST DECAY相同。在芯片上整体产生的热量为Rdson×Icoil2。第二，这种模式所形成的短路电路，使得电机系统实现自刹车功能。第三，这种方式并不适合大型高速电机。那种电机系统中的能量很大，当使用SYNC MODESLOW DECAY的方式连接的时候，会出现超高电流的现象。电流值决定于电机线圈感应电动势伏值与电机内阻。某些极端的情况会导致过流保护或者电机烧毁（图7）。