广告

【AFG专题系列72变】之二:无刷电机调速器我可以

2022-02-25 15:17:25 四川师范大学物理与电子工程学院 王钟嵘  郭宏宇  麦文 阅读:
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发生器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。mG3ednc

mG3ednc

1.1 三相逆变桥结构图mG3ednc

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。mG3ednc

本文通过任意波发生器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。mG3ednc

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完整实验板PCB,可以发现制作PCB板时由于走线原因,A相驱动线是两根不等长的线,A_H线较长,A_L线较短。mG3ednc

mG3ednc

图2.1 电子调速器A相驱动电路原理mG3ednc

mG3ednc

图2.2电子调速器PCBmG3ednc

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。mG3ednc

mG3ednc

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mG3ednc

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。mG3ednc

mG3ednc

表1 各信号通路延时测量mG3ednc

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。mG3ednc

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。mG3ednc

mG3ednc

表2 电源12V情况下相同电机相同驱动电路不同转速工作电流对比mG3ednc

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。mG3ednc

mG3ednc

图4.1 改进的电子调速器实物mG3ednc

结论

使用任意波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。mG3ednc

关于泰克科技

泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市,致力提供创新、精确、操作简便的测试、测量和监测解决方案,解决各种问题,释放洞察力,推动创新能力。70多年来,泰克一直走在数字时代前沿。欢迎加入我们的创新之旅,敬请登录:tek.com.cnmG3ednc

# # #mG3ednc

Tektronix是泰克公司的注册商标。所有其他商号均为各自公司的服务标志、商标或注册商标。mG3ednc

责编:Franklin
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 进阶秘籍:国产车规级芯片好用还避坑 作为国内头部电源厂商,金升阳坚持自主研发,在国产化和缺芯浪潮下,车规级芯片与配套变压器的分立器件隔离电源方案可以解决许多问题,在BMS电池管理系统、压缩机驱动系统、PTC加热器等应用中均有对应的电源解决方案。
  • 智能音箱解决方案 SCT12AX同步升压变换器系列具有极宽的输入和输出范围,应用灵活,热性能好,Rdson小,静态电流低,可调自适应输出,能够延长电池寿命。额外的保护(FB引脚过电压保护和负载断开控制)更安全和经济有效的应用。
  • 马斯克:脑机接口人体实验预计半年内开启,自己也将植入 当地时间11月30日,Neuralink举办了技术展示活动“Show and Tell”,向观众展示了一段用意念打字的技术。
  • 全面解读瑞萨汽车电子产业战略 瑞萨电子,作为一家全球领先的微控制器、模拟功率器件和SoC产品供应商,最近在全球几乎同步举办的慕尼黑电子展上不仅展出了他们在智能网关和域控制器、ADAS自动驾驶、智能座舱以及微控制器和传感器等方面的产品和解决方案,瑞萨电子全球汽车电子事业本部 副总裁赵明宇先生在华南慕尼黑展期间还阐述了瑞萨的产业战略以及今后对于全球汽车电子市场包括中国市场的一些理解和展望。
  • 自制回路增益测试变压器 我们可以购买测试设备,用它来检查在运行反馈回路的回路增益和回路相位属性,并且所购买的设备可以在非常宽的频率范围内提供有用的结果。然而,我所遇到的电源中的反馈回路,只需要在相当有限的频率范围内进行表征。在这种情况下,使用一些低成本元器件“自制”,效果就非常好。
  • 从数据准确性和算法有效性入手,多模式生命体征监测前端 继智能手机后,近年来可穿戴设备正“包揽”全身,逐步成为消费者新时尚:耳戴TWS耳机,腕戴智能手环/智能手表,头戴智能眼镜/智能头显,身穿心电T恤……多种多样的智能穿戴设备正成为继手机后撬动着消费电子市场增长的新亮点。但看似百花齐放的繁荣表象背后,可穿戴设备发展却暗藏隐忧——应用场景单一、功能更新缓慢、同质化严重、入局者众多……
  • 在那科技基于LoRa®打造无界位置管理系统和智能体内生 位置服务的应用需求日趋多元化:在满足位置管理需求的同时,需要添加健康、报警、语音、信息发送等功能。然而,定位模式叠加多种功能应用,导致产品的功耗增加。同时,伴随着客户对定制化的需求,数据安全、网络私密性的要求也不断提高,对本地部署组建私有通讯网络也提出了更高的需求。
  • 可穿戴设备设计关键在于数据准确性和算法有效性 本文分享了ADI在可穿戴领域的一些理解和思考,分为三个部分:一是可穿戴广义设备的市场趋势,包括“卷中卷的卷王”TWS耳机、AR/VR和智能手表;二是可穿戴产品解析;三是想做到差异化,数据和算法到底扮演着什么样的角色。
  • 自热式达林顿晶体管对可构成新的气流传感器 在可用于气流检测的众多方法中,自热式热流量传感器简单、便宜、坚固而又灵敏。它们依赖于被加热传感器的空速和热阻抗之间的关系。本设计实例利用通常被认为是经典达林顿拓扑缺点的优势,将此数学关系转换成了实际电路。
  • 蓝牙技术联盟目标锁定6GHz频段,持续开发新规格项目 11月17日,负责发展蓝牙技术的行业协会蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group,SIG)发布了一项全新规范开发项目,以定义低功耗蓝牙在涵盖6GHz频段在内的未授权中频段频谱中的运作,这将大大提升蓝牙技术的性能。
  • NI深度调研:挖掘产品数据的价值 NI对产品创新者的一份调研结果显示,产品数据是保持竞争力的关键,但他们在如何从数据中提取价值方面却存在很大差距。
  • 裸机系统上的模拟调试 我承认“模拟调试”这个标题有点神秘。阅读本文后,嵌入式固件开发人员可能会遭受认知失调的困扰,但相信我,这以后会说得通的。本标题暗示的是处理MCU中被处理信号的任务。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了