AFG在无刷电机调速器设计中的应用
本文引用自作者：王钟嵘 郭宏宇 麦 文
文章摘要
电子调速器是将直流电转化成交流电驱动无刷电机的一种电子装置，简称电调。它具有调速和功率驱动两种基本功能。通常电调有3组功率场效应晶体管 (MOSFET)构成桥型驱动电路。由于电路中总是存在传输线路的差异、分布电容差异、器件延时差异等不确定因素影响，常常使得桥臂上下两只MOSFET管的导通或截至时间不同步。极易出现同一个桥臂中上下两只MOSFET出现短暂同时导通的情况，从而出现短时大电流脉冲。这个问题降低了电源效率，也容易使驱动管发热损毁。
本文通过使用任意波函数发生器AFG对电子调速器进行驱动和测试，在精准测量出各路桥臂时延特性后，经过驱动软件优化让电路达到了最佳控制效果。泰克AFG31000任意波函数发生器可产生任意脉冲波，具有双通道输出和极高的相位控制能力，对精准测量起到了非常关键的作用，也为本文实现高效驱动器起到了重要作用。
引言
常见多旋翼无人机通常使用电子调速器作为电机的驱动部件，是一种比较常见的电机驱动装置。电子调速器的主要通过PWM脉冲来实现三相激励电流。典型的BLDC驱动如图1.1所示。Q1-Q6是6个MOSFET组成的直流转交流的逆变电桥，每只管子在驱动信号激励下，有序开通和关闭，形成交流驱动源。
图1.1 三相逆变桥结构图
但是，由于实际电路总是存在一些未知影响因素。例如，驱动管输入电容不一致、控制信号线长度不一致、驱动管开启与关断时延不一致等。使得一组桥臂的两个MOSFET管的导通或截至的时间不同步，极易出现同一个桥臂的两个管子同时导通的情况。当上下两个MOSFET管同时导通时，尽管时间非常短暂也会形成极大的短路脉冲电流，导致电源效率下降，驱动管子发热等现象，甚至损毁驱动管。
本文通过任意波函数发生器AFG对无刷电子调速驱动电路进行实验测试解决驱动不一致问题。在精确测量出驱动信号经过每组MOS管所产生的时延后，根据所测的时延差数据，通过软件进行调整和优化，最后使驱动电桥到达最优工作状态。
二 电调硬件设计
如图2.1所示，该部分为电子调速器A相输出，驱动器使用了集成电路。图2.2是完整实验板PCB，可以发现制作PCB板的时候由于走线原因，A相驱动线是两根不等长的线，A_H线较长，A_L线较短。
图2.1 电子调速器A相驱动电路原理
图2.2 电子调速器PCB
三 实验测试与软件优化
泰克AFG31000任意波函数发生器可以输出双路驱动信号，每个通道独立可调整，将双路输出调整为可以激励双输入模式，通过示波器观察将激励信号的在电路板上的驱动点位置将边沿对齐。
图3.1 双通路高速示波器测试A_L端信号激励点
到电机接口时延
图3.1中可以观察到A_L端信号通过线路及驱动器件后产生的时延。信号在下降沿部分产生了弯曲变化，这可能是线路上分布电容引起的。对所有驱动端分别激励并测量出每个通道的时延。表1给出了各个通道测量结果，可以看到B相和C相近似相等，A相最差。从PCB电路上可以发现A相两路信号对称性最差，B相和C相接近一致。A相有约2us的时延差别。
表1 各信号通路延时值测量
根据各路实测结果，可以确认线路最大延迟量为20us，由此在软件设计上将各路驱动进行对等延迟优化，尽量满足驱动信号达到各输出端时基本一致，比如将A-H这路增加1.9us达到20us。这里单片机的运行速度决定了驱动器能达到的精准性。如有可能，使用汇编写这个部分是最佳的方法。汇编语言具有很好实时性，可以将误差控制在一个机器周期以内，不过使用汇编比较繁琐和复杂。实际调试中可以使用C语言编程，再利用反汇编进行调试。本实验中采用反汇编环境进行调试测算，最后将驱动时延调整到最小误差状态。
四 测试与验证
电子调速器经过实际测量与程序优化后，需要证明这种优化带来的效果。为此设计了一组对比测量，环境搭建如图3.1所示。将调速器安装上带桨叶的电机，然后通过优化程序与未优化程序激励驱动器进行比较。在相同电路，相同供电电压情况下，对比在不同转速情况下的工作电流，测量结果如表2所示。
表2 电源12V情况下相同电机相同驱动电路不同转速时
工作电流对比
通过对比可以看到，不论是优化程序激励的驱动器，还是未优化程序所激励的驱动器，随着转速提高，工作电流都成倍增加。这是因为转速提高后，电机阻力成倍增加的缘故。对比相同转速情况下的电流，可以发现转速较低时，优化后的驱动器电流减少并不多，没有多大优势。而在高转速情况下，电流减少较多，优势十分明显。此外通过供电电流测量还发现优化后的驱动器电流变化平稳，没有出现大电流脉冲，减少了调速器产生的电磁干扰。可见优化设计带来了不少的好处。图4.1是根据图2.2进一步改进和缩小尺寸的驱动板，其性能进一步提升。目前该驱动板已应用到实际使用中，效率高、省电节能效果良好。
图4.1 改进的电子调速器实物
结论
使用任意波函数发生器可以有效检测驱动电路的延时特性，为优化设计带来明晰的方向，从而提高电路性能以及电磁兼容特性。
参考文献
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