ODrive干货 #5 为什么无刷电机电流和电源电流不同

ODrive干货 #5 为什么无刷电机电流和电源电流不同

电机电流比DC供电电源电流低是因为电机驱动器相当于一个降压DC/DC转换器。忽略由于转换损耗、换向和换向细节（参见下文）等因素，是因为（电源输出电压）x（输出电流）应当等于（电机电流）x（电机有效电压），然而电机有效电压小于电源输出电压造成的。

了解内部的原理

从电气的角度分析

要了解为什么电源电流与电机电流不同，有必要了解控制电机（感性负载）的H桥如何工作。

例如，假设使用直流有刷电机。 还假设使用2个象限工作的H桥方案，如下图所示：

让我们分析一下上图H桥的工作状态。BL晶体管处于打开状态，所以可以简单看作短路。BH处于关断状态，可以简化为断路。AL晶体管处于关断状态，但是它的内部二极管可以作为续流二极管，所以可以忽略这个晶体管的存在，只把它看作一个二极管。AH是处于不断开关的晶体管，所以它的内部续流二极管可以被忽略掉，只把它看作一个晶体管。再考虑电机的电气模型得到简化的模型电路，如下图所使：

可以看出，电机及其开关模型可以简化为DC/DC Buck转换器。 同样适用于三相H桥驱动电路。

分析模型

要分析为什么电机的电流高于电源输入电流，就必须应用基本的DC/DC转换器原理。

在开关周期内，流过DC/DC转换器的电流可以分为两部分，即晶体管处于打开状态（占空比）和处于关闭状态（1-占空比）时的电流。 下图显示了两种情况下的电流流动。

可以看出，电流始终流过电机，而不是始终流过直流母线。 由于电机是感性的，并且流经电感的电流永远不会突变，因此当AL晶体管切换为OFF时，电流将通过二极管再循环。 通过电感的电流计算公式如下：
$$i_L=\frac{1}{L}\int V_{L}dt$$
下图显示了工作时一个开关周期内的电压和电流波形。

可以看出，在TON中，电感由于其上的正电压而存储能量，因此它的电流上升。 在TOFF中，电流由于负电压（如果忽略电动机的电阻，则为-BEMF）而下降，依此类推，电感损失能量（转移至电机并转换为运动，发热等）。 计算电流时，电流值将是该电流纹波的平均值。

现在，让我们看看为什么输入电流可以与输出电流不同。 如前所述，电流始终流过电感，但只有TON流过AH晶体管，这意味着流过电感的平均电流不相等，并且这些电流的平均值对应于这些电流的RMS或DC值。 下图以图形方式进行展示。

从能量守恒的角度分析

理解这种转换的另一种方式是将开关转换和电感视为 “黑匣子”，该黑匣子仅在TON期间存储能量，而在TOFF期间能量降低。 如果忽略功率损耗则如下图所示：

在上图中，输入电压，BEMF和输出电流是固定值。 由于Pin = Pout必须相等（电感器不能永远存储能量并且必须达到稳态），所以输入电流值将遵循以下这个公式：
$$P_{in}=P_{out}\to V_{dc}\cdot I_{dc}=BEMF\cdot I_{out}\to I_{dc}=\frac{BEMF\cdot I_{out}}{V_{dc}}$$
因此，如果BEMF的电压低于直流电压，则直流电流的值将低于电机电流，因为必须保持功率平衡。 如果电机速度高，反电动势电压（BEMF）将增加。 对于给定的电流，PWM占空比将更高。 这意味着在最大电机速度（最大PWM占空比）下，电机电流值将接近电源电流值。

总结

1. 电机驱动器相当于降压转换器。 驱动器产生的电机有效电压始终等于或低于直流总线电压。
2. 因此，为了保持输入和输出的功率平衡，电机输出电流应高于输入电流。
3. 对于无刷电机，这会变得很复杂，但其原理类似于有刷电机。
4. 在低速时，电机和直流母线电流之间的差异很大。
5. 在最高电机速度下（∝高BEMF），电机电流和电源电流将接近。

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