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AFG在解決無刷電子調速器測試中驅動不一致問題中具備哪些優勢?

更新時間:2022-08-01 點擊次數:1329

電子調速器,英文Electronic Speed Control,簡稱ESC/中文稱為電調。其用途是將直流電轉化成交流電驅動無刷電機的一種電子裝置。針對電機的不同,其具備兩種功能:有刷電調和無刷電調。一般情況下電調有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,經常發生橋臂上下兩只MOSFET管的導通或截至時間不同步。非常容易出現同一個橋臂中上下兩只MOSFET發生短暫同時導通的情況,進而出現短時大電流脈沖。這個問題降低了電源效率,也容易使驅動管發熱損毀。

 

本篇分享將采用任意波函數發生器AFG對電子調速器進行驅動及測試,在精準測量出各路橋臂時延特性以后,通過驅動軟件優化讓電路達到了*佳控制效果。泰克AFG31000任意波函數發生器可產生任意脈沖波,具備雙通道輸出和*高的相位控制能力,對精準測量有著至關重要的作用,同樣在為本篇中實現高效驅動器起到了重要作用。

 

 

 

 

BLDC驅動


 

大部分的多旋翼無人機一般都使用電子調速器作為電機的驅動部件,是一種較為常見的電機驅動裝置。電子調速器的主要通過PWM脈沖來完成三相激勵電流。典型的BLDC驅動如下圖所示。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,從而形成交流驅動源。

 

三相逆變橋結構圖.png

三相逆變橋結構圖

 

可是在實際電路中總是存在一些未知影響因素。譬如: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多種情況。進而導致一組橋臂的兩個MOSFET管的導通或截至的時間不同步,非常容易發生同一個橋臂的兩個管子同時導通的現象。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,促使電源效率下降,驅動管子發熱等現象,嚴重的話將會損毀驅動管。

接下來通過任意波函數發生器AFG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,依據所測的時延差數據,利用軟件進行調整和優化,最后使驅動電橋到達*優工作狀態。

 

 

電調硬件設計


 

如下圖所示,此部分為電子調速器A相輸出,驅動器使用了集成電路。下圖1是完整實驗板PCB,在此可以發現制作PCB板的時候由于走線原因,A相驅動線是兩根不等長的線,A_H線較長,A_L線較短。

 

電子調速器A相驅動電路原理

 

電子調速器PCB

 

 

實驗測試與軟件優化


 

泰克AFG31000任意波函數發生器能夠輸出雙路驅動信號,每個通道獨立可調整,把雙路輸出調整為可以激勵雙輸入模式,利用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。

 

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.jpg

【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】

 

從上圖中能夠觀察到A_L端信號通過線路及驅動器件后產生的時延。信號在下降沿部分發生了彎曲變化,這可能是線路上分布電容引起的。因此對全部的驅動端分別激勵并測量出每個通道的時延。下圖所示表格中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電路上可以發現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。

 

各信號通路延時值測量

 

按照各路實測結果,能夠確定線路最大延遲量為20us,所以在軟件設計上將各路驅動進行對等延遲優化,盡量滿足驅動信號達到各輸出端時基本一致,例如將A-H這路增加1.9us達到20us。在此單片機的運行速度決定了驅動器可以達到的精準性。如有可能,使用匯編寫這個部分是*佳的方法。匯編語言具備很好實時性,能夠把誤差控制在一個機器周期以內,但缺點則是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,之后再采用反匯編進行調試。本實驗中采用反匯編環境進行調試測算,最后將驅動時延調整到最小誤差狀態。

 

 

測試與驗證


 

電子調速器經過實際測量與程序優化后,需要證明這種優化帶來的效果。因此設計了一組對比測量,環境搭建如上述圖中所示。將調速器安裝上帶槳葉的電機,之后采用優化程序與未優化程序激勵驅動器進行對比。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,測量結果如下圖表中所示。

 

【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】

 

經過上述對比能夠觀察出,不管是優化程序激勵的驅動器,又或是未優化程序所激勵的驅動器,伴隨轉速提高,工作電流都將會成倍增加。這是因為轉速提高后,電機阻力成倍增加的緣故。與其相同轉速情況下的電流相對比,可以發現轉速較低時,優化后的驅動器電流減少并不多,沒有多大優勢。但在高轉速情況下,電流減少較多,優勢則十分明顯。除此以外通過供電電流測量還發現優化后的驅動器電流變化平穩,且并未出現大電流脈沖,減少了調速器產生的電磁干擾。對此可知優化設計帶來了不少的好處。圖1是按照上述中的原理圖進一步改進和縮小尺寸的驅動板,其性能進一步提升。當前該驅動板已應用到實際使用中,具備效率高、省電節能效果良好。

 


電子調速器實物-1.png
電子調速器實物.png
改進的電子調速器實物

 

 

 

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