【AFG專題系列72變】之二：無刷電機調速器

作者：四川師范大學物理與電子工程學院 王鐘嶸 郭宏宇 麥文

電子調速器是將直流電轉化成交流電驅動無刷電機的一種電子裝置，簡稱電調。它具有調速和功率驅動兩種基本功能。通常電調有3組功率場效應晶體管 （MOSFET）構成橋型驅動電路。由于電路中總是存在傳輸線路的差異、分布電容差異、器件延時差異等不確定因素影響，常常使得橋臂上下兩只MOSFET管的導通或截至時間不同步。極易出現(xiàn)同一個橋臂中上下兩只MOSFET出現(xiàn)短暫同時導通的情況，從而出現(xiàn)短時大電流脈沖。這個問題降低了電源效率，也容易使驅動管發(fā)熱損毀。本文通過使用任意波發(fā)生器對電子調速器進行驅動和測試，在精準測量出各路橋臂時延特性后，經過驅動軟件優(yōu)化讓電路達到了最佳控制效果。泰克AFG31000任意波發(fā)生器可產生任意脈沖波，具有雙通道輸出和極高的相位控制能力，對精準測量起到了非常關鍵的作用，也為本文實現(xiàn)高效驅動器起到了重要作用。

引言

常見多旋翼無人機通常使用電子調速器作為電機的驅動部件，是一種比較常見的電機驅動裝置。電子調速器的主要通過PWM脈沖來實現(xiàn)三相激勵電流。典型的BLDC驅動如圖1.1所示。 Q1-Q6是6個MOSFET組成的直流轉交流的逆變電橋，每只管子在驅動信號激勵下，有序開通和關閉，形成交流驅動源。

圖1.1 三相逆變橋結構圖

但是，由于實際電路總是存在一些未知影響因素。例如，驅動管輸入電容不一致、控制信號線長度不一致、驅動管開啟與關斷時延不一致等。使得一組橋臂的兩個MOSFET管的導通或截至的時間不同步，極易出現(xiàn)同一個橋臂的兩個管子同時導通的情況。當上下兩個MOSFET管同時導通時，盡管時間非常短暫也會形成極大的短路脈沖電流，導致電源效率下降，驅動管子發(fā)熱等現(xiàn)象，甚至損毀驅動管。

本文通過任意波發(fā)生器對無刷電子調速驅動電路進行實驗測試解決驅動不一致問題。在精確測量出驅動信號經過每組MOS管所產生的時延后，根據(jù)所測的時延差數(shù)據(jù)，通過軟件進行調整和優(yōu)化，最后使驅動電橋到達最優(yōu)工作狀態(tài)。

電調硬件設計

如圖2.1所示，該部分為電子調速器A相輸出，驅動器使用了集成電路。圖2.2完整實驗板PCB，可以發(fā)現(xiàn)制作PCB板時由于走線原因，A相驅動線是兩根不等長的線，A_H線較長，A_L線較短。

圖2.1 電子調速器A相驅動電路原理

圖2.2電子調速器PCB

實驗測試與軟件優(yōu)化

泰克AFG31000任意波函數(shù)發(fā)生器可以輸出雙路驅動信號，每個通道獨立可調整，將雙路輸出調整為可以激勵雙輸入模式，通過示波器觀察將激勵信號的在電路板上的驅動點位置將邊沿對齊。

圖3.1 雙通路高速示波器測試A_L端信號激勵點到電機接口時延

圖3.1中可以觀察到A_L端信號通過線路及驅動器件后產生的時延。信號在下降沿部分產生了彎曲變化，這可能是線路上分布電容引起的。對所有驅動端分別激勵并測量出每個通道的時延。表1給出了各個通道測量結果，可以看到B相和C相近似相等，A相最差。從PCB電路上可以發(fā)現(xiàn)A相兩路信號對稱性最差，B相和C相接近一致。A相有約2us的時延差別。

表1 各信號通路延時值測量

根據(jù)各路實測結果，可以確認線路最大延遲量為20us，由此在軟件設計上將各路驅動進行對等延遲優(yōu)化，盡量滿足驅動信號達到各輸出端時基本一致，比如將A-H這路增加1.9us達到20us。這里單片機的運行速度決定了驅動器能達到的精準性。如有可能，使用匯編寫這個部分是最佳的方法。匯編語言具有很好實時性，可以將誤差控制在一個機器周期以內，不過使用匯編比較繁瑣和復雜。實際調試中可以使用C語言編程，再利用反匯編進行調試。本實驗中采用反匯編環(huán)境進行調試測算，最后將驅動時延調整到最小誤差狀態(tài)。

測試與驗證

電子調速器經過實際測量與程序優(yōu)化后，需要證明這種優(yōu)化帶來的效果。為此設計了一組對比測量，環(huán)境搭建如圖3.1所示。將調速器安裝上帶槳葉的電機，然后通過優(yōu)化程序與未優(yōu)化程序激勵驅動器進行比較。在相同電路，相同供電電壓情況下，對比在不同轉速情況下的工作電流。測量結果如表2所示。

表2 電源12V情況下相同電機相同驅動電路不同轉速時工作電流對比

通過對比可以看到，不論是優(yōu)化程序激勵的驅動器，還是未優(yōu)化程序所激勵的驅動器，隨著轉速提高，工作電流都成倍增加。這是因為轉速提高后，電機阻力成倍增加的緣故。對比相同轉速情況下的電流，可以發(fā)現(xiàn)轉速較低時，優(yōu)化后的驅動器電流減少并不多，沒有多大優(yōu)勢。而在高轉速情況下，電流減少較多，優(yōu)勢十分明顯。此外通過供電電流測量還發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的驅動器電流變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大電流脈沖，減少了調速器產生的電磁干擾?？梢妰?yōu)化設計帶來了不少的好處。圖4.1是根據(jù)圖2.2進一步改進和縮小尺寸的驅動板，其性能進一步提升。目前該驅動板已應用到實際使用中，效率高、省電節(jié)能效果良好。

圖4.1 改進的電子調速器實物

結論

使用任意波發(fā)生器可以有效檢測驅動電路的延時特性，為優(yōu)化設計帶來明晰的方向，從而提高電路性能以及電磁兼容特性。