Duke's Blog

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，属于电机 slow decay 模式。）

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。

补充

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。

额外内容

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。

如果用的是 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，所以强烈建议使用 slow decay 模式。