《電子技術(shù)應(yīng)用》
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【AFG專題系列72變】之二:無刷電機(jī)調(diào)速器我可以

2022-02-28
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
來源:Tektronix

摘要:電子調(diào)速器是將直流電轉(zhuǎn)化成交流電驅(qū)動無刷電機(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(dǎo)通或截至?xí)r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(dǎo)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(qū)動管發(fā)熱損毀。本文通過使用任意波發(fā)生器對電子調(diào)速器進(jìn)行驅(qū)動和測試,,在精準(zhǔn)測量出各路橋臂時延特性后,,經(jīng)過驅(qū)動軟件優(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,,對精準(zhǔn)測量起到了非常關(guān)鍵的作用,也為本文實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動器起到了重要作用,。

關(guān)鍵詞:電子調(diào)速器,;MOSFET;AFG31000任意波發(fā)生器,;

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)動部件,,是一種比較常見的電機(jī)驅(qū)動裝置。電子調(diào)速器的主要通過PWM脈沖來實(shí)現(xiàn)三相激勵電流,。典型的BLDC驅(qū)動如圖1.1所示,。 Q1-Q6是6個MOSFET組成的直流轉(zhuǎn)交流的逆變電橋,每只管子在驅(qū)動信號激勵下,,有序開通和關(guān)閉,,形成交流驅(qū)動源,。

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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)動管輸入電容不一致、控制信號線長度不一致,、驅(qū)動管開啟與關(guān)斷時延不一致等,。使得一組橋臂的兩個MOSFET管的導(dǎo)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(dǎo)通的情況,。當(dāng)上下兩個MOSFET管同時導(dǎo)通時,,盡管時間非常短暫也會形成極大的短路脈沖電流,導(dǎo)致電源效率下降,,驅(qū)動管子發(fā)熱等現(xiàn)象,,甚至損毀驅(qū)動管。

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

電調(diào)硬件設(shè)計

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

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圖2.1 電子調(diào)速器A相驅(qū)動電路原理

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圖2.2電子調(diào)速器PCB

實(shí)驗(yàn)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(qū)動信號,每個通道獨(dú)立可調(diào)整,,將雙路輸出調(diào)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(qū)動點(diǎn)位置將邊沿對齊。

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圖3.1 雙通路高速示波器測試A_L端信號激勵點(diǎn)到電機(jī)接口時延

圖3.1中可以觀察到A_L端信號通過線路及驅(qū)動器件后產(chǎn)生的時延,。信號在下降沿部分產(chǎn)生了彎曲變化,,這可能是線路上分布電容引起的。對所有驅(qū)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(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相兩路信號對稱性最差,,B相和C相接近一致,。A相有約2us的時延差別。

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表1 各信號通路延時值測量

根據(jù)各路實(shí)測結(jié)果,,可以確認(rèn)線路最大延遲量為20us,,由此在軟件設(shè)計上將各路驅(qū)動進(jìn)行對等延遲優(yōu)化,盡量滿足驅(qū)動信號達(dá)到各輸出端時基本一致,,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)動器能達(dá)到的精準(zhǔn)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(shí)時性,可以將誤差控制在一個機(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)試測算,,最后將驅(qū)動時延調(diào)整到最小誤差狀態(tài)。

測試與驗(yàn)證

電子調(diào)速器經(jīng)過實(shí)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(shè)計了一組對比測量,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)化程序激勵驅(qū)動器進(jìn)行比較。在相同電路,,相同供電電壓情況下,,對比在不同轉(zhuǎn)速情況下的工作電流。測量結(jié)果如表2所示,。

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表2 電源12V情況下相同電機(jī)相同驅(qū)動電路不同轉(zhuǎn)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(qū)動器,還是未優(yōu)化程序所激勵的驅(qū)動器,,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,。對比相同轉(zhuǎn)速情況下的電流,可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速較低時,,優(yōu)化后的驅(qū)動器電流減少并不多,,沒有多大優(yōu)勢。而在高轉(zhuǎn)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(qū)動器電流變化平穩(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,。可見優(yōu)化設(shè)計帶來了不少的好處,。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)動板,,其性能進(jìn)一步提升。目前該驅(qū)動板已應(yīng)用到實(shí)際使用中,,效率高,、省電節(jié)能效果良好。

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

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