无刷电机电源倒灌之细节分析

dukelec

之前搞电动动力滑翔伞，经常烧 mos，关于 foc 电机电源倒灌的细节想了很多，但始终有部分问题想的不通透，最近算是彻底想透了，写了篇博客总结一下，内容贴过来：


## 迷思

测试环境：电机带动一个小轮子，轮子不接触地面。

轮子最高转速由电机 KV 值决定，因为电机高速旋转会产生反向电动势，且和速度成正比，实际给电机注入的有效电压是电源电压减去反向电动势电压， 当转速升高到一定程度，有效电压也会降到一个临界值，此时产生的转动力刚好抵抗摩擦和风阻等阻力，从而达到一个平衡。

电机反向电动势小于电源电压，为何会倒灌到电源？

有刷电机相对简单，下面先拿有刷电机做分析，但让 PWM 驱动方式和 FOC 相同，驱动使能状态下，H 桥 0V 电压输出时，H 桥 MOS 以 50% 占空比同上同下不停开关。
如果 H 桥 10% 的时间输出如下图的正向电压，则剩余 40% 时间两个上臂 MOS 短路电机，40% 时间两个下臂 MOS 短路电机。输出 10% 时间反向电压也是类似。（这里的短路目的是为了续流。）



H 桥输出最大正值，左上和右下 MOS 100% 时间导通，电机电流是由左至右，电机开始正转。
等转到一定速度，是直接控制 H 桥输出 0V 电压（MOS 同上同下导通），还是输出最大负值（左下和右上 MOS 100% 时间导通），哪种会产生最大倒灌？
如果直接关闭所有 MOS，又是否会倒灌？

宏观上来看，H 两个半桥，分别通过 PWM 输出一个电压，当 H 桥输出切换到 0V 电压时，旋转的电机产生的反向电动势一定大于 0V，此时电机便可以反向给 H 桥充电，形成倒灌。
微观上，H 桥 MOS 以 50% 占空比同上同下不停开关，电机具体是如何倒灌的呢？是否是通过 MOS 体二极管形成通路呢？刹车时，电机速度降低，反向电动势为何会反而增加超过电源电压？（上面说了反向电动势和电机速度成正比，且小于电源电压。）
如果 H 桥输出最大负值，宏观上电机电压可以倒灌吗？微观上又会发生什么？

微观上，一开始 H 桥输出最大正值时，图中电机看成一个电感，电流是从左到右，最后切换到 H 桥输出最大负值时，电感电流方向正好是给电源电压充电的方向，倒灌是否因此产生？



## 解答

其实，如果画出更合理的电机等效电路，以上问题就会变得很清楚：

一个有刷电机，对外可以等效成一个电感串一个电池，静止时，电池电压为 0V，H 桥给电感充入电流，电机开始旋转，电感中的电流会转换成电池电压（相当于电感损耗比较大，损耗用来充电），电压方向和 H 桥输出同向。



旋转到一定速度，此时 H 桥切换输出为 0V，MOS 以 50% 占空比同上同下不停开关，先看左边半桥，下面 MOS 导通时，左半桥输出被下拉短路到 GND，电机反向电动势没有半点可能通过上面 MOS 的体二极管，同理，上面 MOS 导通时，下面 MOS 的体二极管也不会有机会导通，所以我们可以忽略所有 MOS 的体二极管，倒灌和这些体二极管没有任何关系。

H 桥切换输出为 0V 时，电机内部等效的电池，会经过电感，被外部 MOS 短路，此时不会倒灌提升电源电压。
H 桥切换输出为最大负值时，电机内部等效的电池，会经过电感，被外部电源短路，此时也不会倒灌提升电源电压，经过电感的电流会更大（两个电源叠加）。

宏观上，只有当 H 桥输出大于 0V，且输出值比电机内部等效的电池低的时候，才会发生倒灌，倒灌的微观动作如下，类似 DCDC 非隔离同步升压电源电路：
微观上，H 桥输出同上同下短路阶段，电机内部等效的电池，给电感充电，H 桥输出正值时，等效的电池 + 电感，合起来的电压会超过电源电压，从而倒灌擡高电源电压。

至于无刷电机，无论是六步换相，还是 FOC 无级换相，其实只是换相方式不同，两相变成了三相，本质上和上面分析是一样的，可以套入上述结论。

最后说一下，对于电机主动刹车，不借助外力的情况下，理论上只有两个途径：
1. 尽量通过 MOS 短路电机线圈，通过短路耗散能量，此方法比较危险，电流过大会烧掉 MOS 和线路，且过大的电流产生的电磁场可能会对永磁铁造成消磁。
2. 让电机能量倒灌到电源，但电源太高也会烧毁 MOS 和芯片等元件，可以增加耗散电阻或者储能电容等电路，压制过高的电源电压。如果使用 TVS 强制限制电源电压，也要小心电流是否会过大，产生和第一条一样的问题。如果外部是电池供电，也要小心倒灌电流过大的问题。

dukelec

cne53102 发表于 2022-11-29 15:25
希望楼主能尽可能注意安全。。

我说点我个人经验
(引用自3楼)

你说的 “粗糙的看” 就是我文中所说的 “宏观上看”，其实是有问题的，譬如 H 桥输出电压 = 0V 时（mos 同上同下开关），电机电流是不会倒灌到电源的。
二楼的说法则没有问题，和我文章分析的一致。

如果满速时，突然关闭所有 mos，此时，电机等效电路中的电感的确会经过 mos 体二极管倒灌到电源，
但此时电机电感线圈不再是 slow decay，而变成了 fast decay，所以电感的电流会很小，而且产生的电压还要减去 电机等效出来的电池电压，
而且此过程持续时间很短，主要的动能是储存在 电机等效的电池 中，不会作用于体二极管。
所以大多数情况下，短时间的 fast decay 的电流，应该不会损坏 mos 体二极管。

dukelec

cne53102 发表于 2022-11-30 02:34
“粗糙的看”指的是就结果而言。

恩，不过前面就占空比这个地方似乎是有什么不对劲的地方。我没明白你说 ...
(引用自6楼)

都用 slow decay 模式的话，有刷和无刷差不多的
常规使能情况下输出 0V 的区别是：
无刷 H 桥输出：每个 PWM 周期内，50% 时间两个上臂 MOS 同时导通，剩下 50% 时间两个下臂 MOS 同时导通
有刷 H 桥，使用 drv8870 等芯片的时候：100% 时间两个下臂 MOS 同时导通
对电机来说，都是短路电机两根线
（把两个上 MOS 导通替换为两个下 MOS 导通就是有刷常用模式）

dukelec

cne53102 发表于 2022-11-30 02:34
“粗糙的看”指的是就结果而言。

恩，不过前面就占空比这个地方似乎是有什么不对劲的地方。我没明白你说 ...
(引用自6楼)

如果你的有刷控制方式是：
使能输出 0V 时，H 桥左半桥和右半桥输出始终相反，PWM 周期 50% 占空比跳变

那么你用的是 fast decay，电机线圈的电流在 PWM 切换到续流的时候，会瞬间下降很多，整体表现是电机很虚，开环跑的时候容易受轻微的阻力干扰，闭环跑的时候上层 PID 控制效果会很差，很难调好
你换成 slow decay 模式，会感叹原来效果原本可以这么好


drv8870 手册有 slow decay 和 fast decay 示意图：
slow decay 是 红色 ① 和 蓝色 ② 之间来回切换
fast decay 是 红色 ① 和 绿色 ③ 之间来回切换

所谓 slow 和 fast decay 是指电机线圈电流在 PWM 切到续流状态下，电机线圈电流是掉的快还是掉的慢

dukelec

chinaboy25 发表于 2022-11-30 10:15
fast decay  手册是指IN1=0和IN2=0，这个状态MOS管是关闭的，续流是通过体二极管来续流，我们平常都是这 ...
(引用自10楼)

没错，只通过 体二极管 和 体二极管对应的 MOS 也导通，区别不大，对应的 MOS 导通相当于把原本的 体二极管 升级成了理想二极管 而已（六楼所说的方式）。性质还是 fast decay。

但我已经说了，不要用 fast decay，fast decay 效果很虚，很差！你平时的做法不好。

我的文章前提是 slow decay 模式。（FOC 也不可能使用 fast decay 模式。）
如果是 fast decay 模式，H 桥使能状态输出 0V，电机也会倒灌（使用同样的 电感 + 电池 等效模型，很容易分析出来），和我文章结论是不同的。

dukelec

chinaboy25 发表于 2022-11-30 10:37
slow decay 就是刹车模式，如果你一开一刹车，效率很低，大部分能量都发热了， slow decay 为啥叫刹车模 ...
(引用自13楼)

没错，你被刹车这个名字误导了，很多人都被误导，从而选择用效果很差的 fast decay 模式

你仔细看，上面 TI 的图，slow decay 和 brake，是有主次之分的，次要的 brake 放在 （）里面了


电机重要的是看线圈电流，而不是输入电压
pwm 目的是让电机线圈的电流维持一个目标值

只有短路续流才能让电机线圈电流稳定

你要是还不信，可以看一下 FOC 的 PWM 波形

dukelec

cne53102 发表于 2022-11-30 12:34
对，是这样。
我是闭环，也可以运行于开环。

(引用自17楼)

一般 20KHz 左右

如果你觉得 slow decay 无法接受，那么 FOC 控制就跟你无缘了

dukelec

chinaboy25 发表于 2022-11-30 13:21
slow decay foc上有人用吗？
(引用自19楼)

foc 都是用 slow decay 的啊！没见过用混合模式的。

混合模式一般用来驱动步进电机（开环）。很多步进电机芯片自带混合 decay 模式，譬如 ATD5984。

dukelec

chinaboy25 发表于 2022-11-30 13:30
都是fast decay吧？通过体二极管续流 好像没有在PWM关闭的时候打开其他的下管来续流 ...
(引用自22楼)

看这个帖子 5 楼：

电机驱动器 的 编码器 SPI 线 的 屏蔽层 如何接地？
https://www.amobbs.com/thread-5750831-1-1.html


电流采样的时候，上面 3 个 mos 是关闭的，下面 3 个 mos 是导通的，相当于把电机 3 根线短路到一起

直接短路电机线的方式是 slow decay !!!

dukelec

qwe2231695 发表于 2023-3-16 01:20
想通90%，还有疑问。

1. foc慢衰的svpwm为啥不是刹车效果，而是续流效果。
(引用自29楼)

1. foc慢衰的svpwm为啥不是刹车效果，而是续流效果。

看一楼最后一张图

慢衰 mos 短路电机何时是续流，何时是刹车，取决于短路的时间长短

短时间短路，等效图中的电感中的电流和短路前差不多大小和方向，此时是续流

如果短路很长时间，等效出来的电感相对于等效出来的电池来说，是让电池短路的导线，此时是刹车

2.  foc输出负的Id。为啥能发电，电压表电压上升不少。

首先 I_sd、I_sq 的本质是什么要搞清楚，只看公式推导是没办法体会到其本质的

如果电机在无外力、正常运转状态下，假如不会产生反电动势，那么读取 I_sd 它会是 0（不考虑电路噪音的话）

如果电机运转的时候不产生反电动势，那么我们提供一个特定相位的三相电压，电机线圈的电流相位和我们提供的电压将会一致，这是我们想要的
对电机而言，最终起做用的是线圈中的电流

然而，因为电机实际上会产生反电动势，如果我们想让电机按照指定相位的电流运转，提供一样相位的电压到电机是不行的

所以，我们要计算当前的反电动势的相位，补偿一下，再输出调整过相位的电压到电机，此时电机的电流相位才是我们最终想要的


回到 I_sd I_sq 术语，不补偿输出电压的相位的话，不跑 I_sd 的 pid：
输出的时候，认为当前 I_sd 永远是 0（假设自己使用的是理想的不会产生反电动势的电机）
读取 I_sd 则会得到一个非 0 值，转速越快 I_sd 越大

如果补偿输出电压的相位的话，要跑 I_sd 的 pid：
读取 I_sd 如果远离 0 值，就加大输出补偿，目的是让 I_sd 接近 0
I_sd 越接近 0，也就表示电机中电流的相位是我们当前的编码器角度所需要的相位