【AFG專題系列72變】之二：無刷電機(jī)調(diào)速器我可以

作者：四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 王鐘嶸 ?郭宏宇 ?麥文

摘要：電子調(diào)速器是將直流電轉(zhuǎn)化成交流電驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的一種電子裝置，簡稱電調(diào)。它具有調(diào)速和功率驅(qū)動(dòng)兩種基本功能。通常電調(diào)有3組功率場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)構(gòu)成橋型驅(qū)動(dòng)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(shí)差異等不確定因素影響，常常使得橋臂上下兩只MOSFET管的導(dǎo)通或截至?xí)r間不同步。極易出現(xiàn)同一個(gè)橋臂中上下兩只MOSFET出現(xiàn)短暫同時(shí)導(dǎo)通的情況，從而出現(xiàn)短時(shí)大電流脈沖。這個(gè)問題降低了電源效率，也容易使驅(qū)動(dòng)管發(fā)熱損毀。本文通過使用任意波發(fā)生器對(duì)電子調(diào)速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和測(cè)試，在精準(zhǔn)測(cè)量出各路橋臂時(shí)延特性后，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)軟件優(yōu)化讓電路達(dá)到了最佳控制效果。泰克AFG31000任意波發(fā)生器可產(chǎn)生任意脈沖波，具有雙通道輸出和極高的相位控制能力，對(duì)精準(zhǔn)測(cè)量起到了非常關(guān)鍵的作用，也為本文實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)器起到了重要作用。

引言

常見多旋翼無人機(jī)通常使用電子調(diào)速器作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部件，是一種比較常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。電子調(diào)速器的主要通過PWM脈沖來實(shí)現(xiàn)三相激勵(lì)電流。典型的BLDC驅(qū)動(dòng)如圖1.1所示。 Q1-Q6是6個(gè)MOSFET組成的直流轉(zhuǎn)交流的逆變電橋，每只管子在驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)下，有序開通和關(guān)閉，形成交流驅(qū)動(dòng)源。

圖1.1 三相逆變橋結(jié)構(gòu)圖

但是，由于實(shí)際電路總是存在一些未知影響因素。例如，驅(qū)動(dòng)管輸入電容不一致、控制信號(hào)線長度不一致、驅(qū)動(dòng)管開啟與關(guān)斷時(shí)延不一致等。使得一組橋臂的兩個(gè)MOSFET管的導(dǎo)通或截至的時(shí)間不同步，極易出現(xiàn)同一個(gè)橋臂的兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的情況。當(dāng)上下兩個(gè)MOSFET管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，盡管時(shí)間非常短暫也會(huì)形成極大的短路脈沖電流，導(dǎo)致電源效率下降，驅(qū)動(dòng)管子發(fā)熱等現(xiàn)象，甚至損毀驅(qū)動(dòng)管。

本文通過任意波發(fā)生器對(duì)無刷電子調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試解決驅(qū)動(dòng)不一致問題。在精確測(cè)量出驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過每組MOS管所產(chǎn)生的時(shí)延后，根據(jù)所測(cè)的時(shí)延差數(shù)據(jù)，通過軟件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，最后使驅(qū)動(dòng)電橋到達(dá)最優(yōu)工作狀態(tài)。

電調(diào)硬件設(shè)計(jì)

如圖2.1所示，該部分為電子調(diào)速器A相輸出，驅(qū)動(dòng)器使用了集成電路。圖2.2完整實(shí)驗(yàn)板PCB，可以發(fā)現(xiàn)制作PCB板時(shí)由于走線原因，A相驅(qū)動(dòng)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(diào)速器A相驅(qū)動(dòng)電路原理

圖2.2電子調(diào)速器PCB

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(qū)動(dòng)信號(hào)，每個(gè)通道獨(dú)立可調(diào)整，將雙路輸出調(diào)整為可以激勵(lì)雙輸入模式，通過示波器觀察將激勵(lì)信號(hào)的在電路板上的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置將邊沿對(duì)齊。

圖3.1 雙通路高速示波器測(cè)試A_L端信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)到電機(jī)接口時(shí)延

圖3.1中可以觀察到A_L端信號(hào)通過線路及驅(qū)動(dòng)器件后產(chǎn)生的時(shí)延。信號(hào)在下降沿部分產(chǎn)生了彎曲變化，這可能是線路上分布電容引起的。對(duì)所有驅(qū)動(dòng)端分別激勵(lì)并測(cè)量出每個(gè)通道的時(shí)延。表1給出了各個(gè)通道測(cè)量結(jié)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(hào)對(duì)稱性最差，B相和C相接近一致。A相有約2us的時(shí)延差別。

表1 各信號(hào)通路延時(shí)值測(cè)量

根據(jù)各路實(shí)測(cè)結(jié)果，可以確認(rèn)線路最大延遲量為20us，由此在軟件設(shè)計(jì)上將各路驅(qū)動(dòng)進(jìn)行對(duì)等延遲優(yōu)化，盡量滿足驅(qū)動(dòng)信號(hào)達(dá)到各輸出端時(shí)基本一致，比如將A-H這路增加1.9us達(dá)到20us。這里單片機(jī)的運(yùn)行速度決定了驅(qū)動(dòng)器能達(dá)到的精準(zhǔn)性。如有可能，使用匯編寫這個(gè)部分是最佳的方法。匯編語言具有很好實(shí)時(shí)性，可以將誤差控制在一個(gè)機(jī)器周期以內(nèi)，不過使用匯編比較繁瑣和復(fù)雜。實(shí)際調(diào)試中可以使用C語言編程，再利用反匯編進(jìn)行調(diào)試。本實(shí)驗(yàn)中采用反匯編環(huán)境進(jìn)行調(diào)試測(cè)算，最后將驅(qū)動(dòng)時(shí)延調(diào)整到最小誤差狀態(tài)。

測(cè)試與驗(yàn)證

電子調(diào)速器經(jīng)過實(shí)際測(cè)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(shè)計(jì)了一組對(duì)比測(cè)量，環(huán)境搭建如圖3.1所示。將調(diào)速器安裝上帶槳葉的電機(jī)，然后通過優(yōu)化程序與未優(yōu)化程序激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行比較。在相同電路，相同供電電壓情況下，對(duì)比在不同轉(zhuǎn)速情況下的工作電流。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 電源12V情況下相同電機(jī)相同驅(qū)動(dòng)電路不同轉(zhuǎn)速時(shí)工作電流對(duì)比

通過對(duì)比可以看到，不論是優(yōu)化程序激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)器，還是未優(yōu)化程序所激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)器，隨著轉(zhuǎn)速提高，工作電流都成倍增加。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速提高后，電機(jī)阻力成倍增加的緣故。對(duì)比相同轉(zhuǎn)速情況下的電流，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)器電流減少并不多，沒有多大優(yōu)勢(shì)。而在高轉(zhuǎn)速情況下，電流減少較多，優(yōu)勢(shì)十分明顯。此外通過供電電流測(cè)量還發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)器電流變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大電流脈沖，減少了調(diào)速器產(chǎn)生的電磁干擾?？梢妰?yōu)化設(shè)計(jì)帶來了不少的好處。圖4.1是根據(jù)圖2.2進(jìn)一步改進(jìn)和縮小尺寸的驅(qū)動(dòng)板，其性能進(jìn)一步提升。目前該驅(qū)動(dòng)板已應(yīng)用到實(shí)際使用中，效率高、省電節(jié)能效果良好。

圖4.1 改進(jìn)的電子調(diào)速器實(shí)物

結(jié)論

使用任意波發(fā)生器可以有效檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)特性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來明晰的方向，從而提高電路性能以及電磁兼容特性。

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