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无刷电机电源倒灌之细节分析

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出615入1076汤圆

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发表于 2022-11-29 14:13:59 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 dukelec 于 2022-11-29 14:39 编辑

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。

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阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!

一只鸟敢站在脆弱的枝条上歇脚,它依仗的不是枝条不会断,而是自己有翅膀,会飞。

出0入0汤圆

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发表于 2022-11-29 15:16:43 | 只看该作者
这个问题,我也仔细想过。
其实关键的原因是半桥电路采用上下互补的控制方式,不采用这种方式的话,就不会倒流的可能。
我自己试验过,只要采用上下互补的方式,很低的转速照样可以倒灌对电池充电,核心就是上下互补导致导致了电流在pwm off期间减小到零后,继续反向增加,下次pwm on的时候就直接对电源充电了。
公式就是Vbat*D=V电机反电动势+IR,在电动状态下,假设在一个时刻,达到稳定的话,左右相等;此时如果突然减少占空比,左边变小,公式不变,那必然这个时候电流I要变负值,也就是对外充电。
我现在用这个思路做电机试验台,用刹车电阻做负载,消耗发电产生的热量,效果还可以。

出330入1862汤圆

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发表于 2022-11-29 15:25:27 | 只看该作者
本帖最后由 cne53102 于 2022-11-29 15:35 编辑

希望楼主能尽可能注意安全。。

我说点我个人经验

可以简单且粗糙的这样看:
电源电源*占空比=输出电压
输出电压>电机电压,电机加速,电源输出电流
输出电压<电机电压,电机减速,电源吸入电流

短路刹车基本是不可取的,现实中适合这样做的电机和情况很有限。

刹车时应当允许能量灌入电源,这样驱动元件比较安全。

需要检测输出和吸入的电流大小,根据电流限制占空比,进出都要防止它超过电机和驱动电路可以承受的电流。也即输入输出双向限流。

直接关闭MOS也不妥,因为电流通过体二极管时发热严重,承受能力很差。

这个地方还有个事是如果主控死掉或掉电,MOS全部处于关闭状态,电机和机械负载处于最大转速,那这个情况下怎么处理,会不会通过体二极管把所有东西都烧掉。一般变频器在这种情况下可以利用电机发的电尽可能保持工作。

在我自己的设计中,我只有在触发安全功能的情况下会短路刹车(MOS+继电器),因为以额定电流刹车通常不能当场刹停,而我的应用中需要电机像撞墙一样刹停,是一种破坏性的刹车,MOS,电机,甚至电线和机械结构都可能损坏(所以有些场合反而不适用,谨慎参考),这样刹车时电线如果没有固定都会跳起来。

即使电源是电池,也应安装刹车电阻,在必要时耗散能量,钳住电源电压,因为电池吸收电流的能力是有限的(编辑补充:会随电池老化而变差),连接件也可能接触不良,电池也可能会被保护板切断。(编辑补充:充满或过流,可能充满会有人不理解,但有时机械能大于电池里的“空余空间”,想象你在山顶充满了电池,然后下山一路踩刹车,那显然无法把能量回收到电池,能量回收失效了。不知楼主在空中会不会因为风而出现这种情况)

使用TVS,功能上可以达到目的,但TVS的功率是非常短暂的,而机械负载存储的能量可以持续的时间远超TVS承受能力(不能只考虑电机自身存储的能量),即使是玩具电机也可以烧毁SMC封装的TVS,虽然国内外都存在这种设计,但我个人无法赞同。

楼主的应用需要低重量,也许使用电阻丝+云母片自制刹车电阻比较好(有这种,但多为定制,不是标准品),风冷。建议测试无风条件下的熔断电流。做好隔热,要能烧至明亮的橘黄色而不会伤及周围的材料。

出0入12汤圆

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发表于 2022-11-29 20:22:07 | 只看该作者
另外开辟一个刹车电路怎样。

出615入1076汤圆

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 楼主| 发表于 2022-11-29 23:46:22 | 只看该作者
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。

出330入1862汤圆

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发表于 2022-11-30 02:34:00 | 只看该作者
dukelec 发表于 2022-11-29 23:46
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  ...
(引用自5楼)


“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。我没明白你说的“mos 同上同下开关”是什么?好像这个地方的做法我们想的不太一样?
补充修正一下
拿有刷说,我的H桥输出0时(即希望电机停止),H桥是50%, !50%这样的,左右半桥反相50%,此时若电机有转速,就会有刹车作用,可以灌至电源。很像是一个双向DCDC。
0%,100%; 100%,0%则是两个方向满油门(实际有余量)。除特殊短路刹车以外,没有左右半桥同上同下开关的情况。

体二极管,确实大多数情况下应该不会。但它坑过我,有些不幸的情况下,它会过热。
我不知道你飞在天上,如果不驱动电机,这个螺旋桨会不会在风中获得持续的能量输入,希望留意。

出615入1076汤圆

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 楼主| 发表于 2022-11-30 08:20:51 来自手机 | 只看该作者
本帖最后由 dukelec 于 2022-11-30 08:52 编辑
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)

出615入1076汤圆

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 楼主| 发表于 2022-11-30 08:33:11 来自手机 | 只看该作者
本帖最后由 dukelec 于 2022-11-30 08:56 编辑
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

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出100入312汤圆

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发表于 2022-11-30 08:38:42 来自手机 | 只看该作者
专业的讨论

出0入0汤圆

10
发表于 2022-11-30 10:15:27 | 只看该作者
本帖最后由 chinaboy25 于 2022-11-30 10:16 编辑
dukelec 发表于 2022-11-30 08:33
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

(引用自8楼)


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,我们平常都是这么做的啊; 要不要把MOS管打开降低续流功耗?

出0入0汤圆

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发表于 2022-11-30 10:22:17 | 只看该作者
你这1点: 电机有个额外的模式 刹车模式,另加一个mos再加刹车电阻来阻止电机转动,第二点,电压确实会升高向电源倒灌,需要你电源能吸收倒灌电流,电源才升高比较少,一般多加点电容呗,

出615入1076汤圆

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 楼主| 发表于 2022-11-30 10:25:10 | 只看该作者
本帖最后由 dukelec 于 2022-11-30 10:31 编辑
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。

出0入0汤圆

13
发表于 2022-11-30 10:37:09 | 只看该作者
dukelec 发表于 2022-11-30 10:25
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 ...
(引用自12楼)

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 为啥叫刹车模式,电机停止的时候才使用,所以叫刹车模式

出615入1076汤圆

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 楼主| 发表于 2022-11-30 10:43:59 | 只看该作者
本帖最后由 dukelec 于 2022-11-30 11:00 编辑
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

出0入0汤圆

15
发表于 2022-11-30 11:40:47 | 只看该作者
dukelec 发表于 2022-11-30 10:43
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 ...
(引用自14楼)

电流是稳定,也意味着电压不会升高,烧mos管,这个时候电流方向对的,磁场方向也是对的,然后电机保持加速度转动,下一个PWM过来时给线圈充电电流加大,充电完毕然后下管打开,电流方向对的,磁场方向也是对的,相对上一次,电流增大了,磁场增大了,加速度增大了,然后电机起飞了。。。

出0入143汤圆

16
发表于 2022-11-30 11:47:20 | 只看该作者
我把TI的这几个文档下载了,顺便上传

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出330入1862汤圆

17
发表于 2022-11-30 12:34:48 | 只看该作者
dukelec 发表于 2022-11-30 08:33
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

(引用自8楼)

对,是这样。
我是闭环,也可以运行于开环。

但对我来说fast decay无论开环还是闭环,效果都极佳。slow decay则是不可接受,甚至无法使用的。

为什么你的fast decay很虚?我们有什么区别?频率吗?我在60khz以上,100khz以下。

出615入1076汤圆

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 楼主| 发表于 2022-11-30 12:47:52 | 只看该作者
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

出0入0汤圆

19
发表于 2022-11-30 13:21:49 | 只看该作者
XIE2099 发表于 2022-11-30 11:47
我把TI的这几个文档下载了,顺便上传
(引用自16楼)

slow decay foc上有人用吗?

出0入0汤圆

20
发表于 2022-11-30 13:22:25 | 只看该作者
XIE2099 发表于 2022-11-30 11:47
我把TI的这几个文档下载了,顺便上传
(引用自16楼)

slow decay或者混合模式 FOC上有人用吗?

出615入1076汤圆

21
 楼主| 发表于 2022-11-30 13:23:41 | 只看该作者
本帖最后由 dukelec 于 2022-11-30 13:30 编辑
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。

出0入0汤圆

22
发表于 2022-11-30 13:30:01 | 只看该作者
dukelec 发表于 2022-11-30 13:23
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)。 ...
(引用自21楼)

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

出615入1076汤圆

23
 楼主| 发表于 2022-11-30 13:49:13 | 只看该作者
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 !!!

出0入0汤圆

24
发表于 2022-11-30 15:59:55 | 只看该作者
dukelec 发表于 2022-11-30 13:49
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?
(引用自23楼)

这个是为了电流采样的,没把它当做 slow decay 的来看待;你这一说,确实有这效果

出0入0汤圆

25
发表于 2022-11-30 20:42:35 | 只看该作者
收藏,谢谢分享。

出75入88汤圆

26
发表于 2022-11-30 21:31:03 | 只看该作者
dukelec 发表于 2022-11-30 08:33
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

(引用自8楼)

讨论的这个问题,是典型的电机驱动中间的4相限问题
https://blog.csdn.net/weixin_42968757/article/details/89315854

我个人的理解分为理论和实际电路2个部分。
理论很多介绍,就不班门弄斧了。

实际应用中间,主要是需要注意体二极管耐压和耐过流特性了。工业变频器,一般都有一个很大功率的放电电阻(刹车电阻)这个就是用来消耗刹车时的能量的。毕竟是交流整流形成直流后,再驱动电机,如果发电太多,会干坏直流电容。
不论mos是否导通,只要反电动势大于驱动电压都会有动能经过磁场转换为电能,区别只是,mos开通电流会走mos到电源。mos不开通,走的就是体二极管而已。

对应的无刷电机换向也必须同步,如果不同步,可能就进入反接制动区域。

出10入113汤圆

27
发表于 2022-12-1 08:45:11 | 只看该作者
必须举报个精华。

出16170入6148汤圆

28
发表于 2023-3-15 00:07:29 | 只看该作者
饭桶 发表于 2022-12-1 08:45
必须举报个精华。
(引用自27楼)

cool!

出105入79汤圆

29
发表于 2023-3-16 01:20:18 | 只看该作者
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。

2.  foc输出负的Id。为啥能发电,电压表电压上升不少。


以下资料抛砖引玉

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出615入1076汤圆

30
 楼主| 发表于 2023-3-16 11:49:41 | 只看该作者
本帖最后由 dukelec 于 2023-3-16 11:51 编辑
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

出105入79汤圆

31
发表于 2023-3-16 17:29:09 | 只看该作者
dukelec 发表于 2023-3-16 11:49
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
(引用自30楼)

通透,我仔细学习一下

出0入0汤圆

32
发表于 2023-5-26 17:21:39 | 只看该作者
所谓 slow decay,就是能耗制动;而 fast decay 就是反接制动。
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