電子調(diào)速器，英文Electronic Speed Control，簡稱ESC/中文稱為電調(diào)。其用途是將直流電轉(zhuǎn)化成交流電驅(qū)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(diào)和無刷電調(diào)。一般情況下電調(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，經(jīng)常發(fā)生橋臂上下兩只MOSFET管的導(dǎo)通或截至?xí)r間不同步。非常容易出現(xiàn)同一個橋臂中上下兩只MOSFET發(fā)生短暫同時導(dǎo)通的情況，進(jìn)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。

本篇分享將采用任意波函數(shù)發(fā)生器AFG對電子調(diào)速器進(jìn)行驅(qū)動及測試，在精準(zhǔn)測量出各路橋臂時延特性以后，通過驅(qū)動軟件優(yōu)化讓電路達(dá)到了*佳控制效果。泰克AFG31000任意波函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)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(zhǔn)測量有著至關(guān)重要的作用，同樣在為本篇中實現(xiàn)高效驅(qū)動器起到了重要作用。

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

【三相逆變橋結(jié)構(gòu)圖】

可是在實際電路中總是存在一些未知影響因素。譬如：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)斷時延不一致等多種情況。進(jìn)而導(dǎo)致一組橋臂的兩個MOSFET管的導(dǎo)通或截至的時間不同步，非常容易發(fā)生同一個橋臂的兩個管子同時導(dǎo)通的現(xiàn)象。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，促使電源效率下降，驅(qū)動管子發(fā)熱等現(xiàn)象，嚴(yán)重的話將會損毀驅(qū)動管。

接下來通過任意波函數(shù)發(fā)生器AFG對無刷電子調(diào)速驅(qū)動電路進(jìn)行實驗測試解決驅(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，依據(jù)所測的時延差數(shù)據(jù)，利用軟件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，最后使驅(qū)動電橋到達(dá)*優(yōu)工作狀態(tài)。

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

【電子調(diào)速器A相驅(qū)動電路原理】

【電子調(diào)速器PCB】

泰克AFG31000任意波函數(shù)發(fā)生器能夠輸出雙路驅(qū)動信號，每個通道獨立可調(diào)整，把雙路輸出調(diào)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(qū)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】

從上圖中能夠觀察到A_L端信號通過線路及驅(qū)動器件后產(chǎn)生的時延。信號在下降沿部分發(fā)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(qū)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(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。

【各信號通路延時值測量】

按照各路實測結(jié)果，能夠確定線路最大延遲量為20us，所以在軟件設(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，例如將A-H這路增加1.9us達(dá)到20us。在此單片機的運行速度決定了驅(qū)動器可以達(dá)到的精準(zhǔn)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(nèi)，但缺點則是使用匯編比較繁瑣和復(fù)雜。實際調(diào)試中可以使用C語言編程，之后再采用反匯編進(jìn)行調(diào)試。本實驗中采用反匯編環(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)。

電子調(diào)速器經(jīng)過實際測量與程序優(yōu)化后，需要證明這種優(yōu)化帶來的效果。因此設(shè)計了一組對比測量，環(huán)境搭建如上述圖中所示。將調(diào)速器安裝上帶槳葉的電機，之后采用優(yōu)化程序與未優(yōu)化程序激勵驅(qū)動器進(jìn)行對比。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)果如下圖表中所示。

【電源12V情況下相同電機相同驅(qū)動電路不同轉(zhuǎn)速時工作電流對比】

經(jīng)過上述對比能夠觀察出，不管是優(yōu)化程序激勵的驅(qū)動器，又或是未優(yōu)化程序所激勵的驅(qū)動器，伴隨轉(zhuǎn)速提高，工作電流都將會成倍增加。這是因為轉(zhuǎn)速提高后，電機阻力成倍增加的緣故。與其相同轉(zhuǎn)速情況下的電流相對比，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。但在高轉(zhuǎn)速情況下，電流減少較多，優(yōu)勢則十分明顯。除此以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)，且并未出現(xiàn)大電流脈沖，減少了調(diào)速器產(chǎn)生的電磁干擾。對此可知優(yōu)化設(shè)計帶來了不少的好處。圖1是按照上述中的原理圖進(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。當(dāng)前該驅(qū)動板已應(yīng)用到實際使用中，具備效率高、省電節(jié)能效果良好。