緊急制動

為什么在某些伺服電機驅(qū)動器上有制動電阻？在智能車模電機驅(qū)動上是否也需要加制動電阻？

驅(qū)動電路中的制動電阻

制動電阻也稱為動能制動電阻（dynamic braking resistor），它主要是將被制動的機械系統(tǒng)的機械動能耗散在功率電阻上以制動機械系統(tǒng)。

當(dāng)由電機驅(qū)動的機械系統(tǒng)在制動狀態(tài)時，此時電機就會轉(zhuǎn)換成發(fā)電機，它將機械系統(tǒng)的制動力矩轉(zhuǎn)換成電能。如果電機的驅(qū)動系統(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)，那么只能通過功率電阻來消耗掉制動能量。否則這些能量無處可去，就會造成驅(qū)動電路內(nèi)部過壓，過流，損壞驅(qū)動電路。

智能車模的小型電機、車輪、光電編碼器

本質(zhì)上講，小型車模在減速制動的時候，車模的動能也需要被消耗掉，車模才能夠停止。

車模動能消耗的途徑包括有：模輪胎與地面的摩擦阻力、車模電機到車輪的傳動阻力、電機吸收機械能轉(zhuǎn)變成電能消耗在驅(qū)動電路中、轉(zhuǎn)變成電能重新反充到車載電池中。

在一個車模輪子上增加有一個質(zhì)量塊，來模擬整車運行時慣性質(zhì)量。通過齒輪上的光碼盤可以測量車輪轉(zhuǎn)速。下面通過實驗可以看一下車輪減速時的情況。

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安裝有質(zhì)量塊的實驗車輪

車模減速最簡單的一種情況，就是不再給電機施加驅(qū)動電壓。即將電機與驅(qū)動電路斷開。如果電機驅(qū)動模塊有使能端，將使能端至于緊致狀態(tài)，驅(qū)動模塊輸出端口呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，此時相當(dāng)于將電機從電路中斷開。

車模的機械動能只能消耗在與地面的摩擦力以及傳動系統(tǒng)的阻力中。一般情況下，摩擦阻力與速度無關(guān)，是一個常量，所以車輪減速加速度是一個恒定值。車速直線下降。

下圖顯示了電機從驅(qū)動電路斷開之后，速度下降的情況。

電機從電路中斷開后減速曲線

上圖顯示，電機近似勻速減速，經(jīng)過大約 1 秒鐘，速度減少到 0。這是依靠車模內(nèi)部機械摩擦力消耗動能，減速過程有點慢。

車模減速的第二種情況，就是講電機驅(qū)動電壓降至 0，此時相當(dāng)于將電機兩端短路。電機轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動勢就會通過驅(qū)動電路形成回路，產(chǎn)生制動阻尼電磁力矩。

此時電機的動能，一部分就通過電機制動力矩轉(zhuǎn)換成電能，消耗在驅(qū)動電路中。由于增加了電機制動力矩，車模停止速度就加快了。下圖顯示了電機驅(qū)動電壓降低到 0 時，減速曲線，速度降低到 0 只需要 0.5 秒。

電機驅(qū)動電壓為 0 時，速度降低曲線

由于電機制動電流與反向感應(yīng)電動勢成正比，也就是與轉(zhuǎn)速成正比，所以電機制動力矩與速度成正比，呈現(xiàn)阻尼特性。速度下降不再是線性下降。

這種情況下，電機轉(zhuǎn)子內(nèi)阻、驅(qū)動電路功率管內(nèi)阻就形成了制動電阻，消耗了所有電機制動發(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和驅(qū)動電路。如果車模質(zhì)量進(jìn)一步增大，這種制動方式就會出現(xiàn)危險。

好在車模比較小，所以為了進(jìn)一步加快制動效果，還可以通過反向施加電壓來提高電機制動力矩。下面是通過施加相同的反向電壓，車模速度的變化情況。

施加反向電壓車模速度降低曲線

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)時停止施加反向電壓，及時停止車模。

下圖對比了以上三種制動方式：電機與驅(qū)動電路斷開、電機驅(qū)動電壓為 0、施加反向電壓。

三種制動方式速度曲線對比

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，車模停止時間越小。但當(dāng)反向電壓超過一定數(shù)值之后，停止時間就趨向于常數(shù)。這是由于電機內(nèi)部的電感、電阻阻礙了制動電流快速增長的原因。

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反向電壓與制動時間之間的關(guān)系

上面三種方式制動，車模的動能都會消耗在摩擦阻力、電機內(nèi)阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻中，不會產(chǎn)生再生電能反充到車模電池中。

如果希望將車模動能反充到電池中再利用，則需要制動時，將電機兩端的驅(qū)動電壓降低，但不到 0，或者反向，此時電機的感應(yīng)電動勢就會通過驅(qū)動電路逆變電能，反充到驅(qū)動電路母線上。如果母線上有蓄電池，這部分電能將會反充到電池內(nèi)。

下面動圖顯示電機電壓突然降低時，電機驅(qū)動電流變化。

電機正向轉(zhuǎn)動時動電壓突降引起驅(qū)動電流變化曲線

電機驅(qū)動電壓突變時，電機電流也會都突變，基本上突變前期都是反向電流。如果電機驅(qū)動電壓沒有突變到 0，或者反向，此時反向電流就會形成再生電能，反向回饋到驅(qū)動電路母線上。如果機械運動系統(tǒng)動能很大，再生電能就會很可觀。

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。

電機反向轉(zhuǎn)動時驅(qū)動電壓突降引起電流變化曲線

對于中小功率的伺服電機，為了減少設(shè)計成本，一般不包括逆變電路。所以只能將制動再生電能通過電阻消耗掉。

對于小型的車模，制動電阻也可以省略掉，直接使用電機內(nèi)阻和驅(qū)動電路板內(nèi)阻還消耗再生電能。