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AFG在無刷電機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用


  來源: 泰克科技 時(shí)間:2022-02-22 編輯:清風(fēng)
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本文引用自作者:王鐘嶸 郭宏宇 麥 文


文章摘要


電子調(diào)速器是將直流電轉(zhuǎn)化成交流電驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(gè)橋臂中上下兩只MOSFET出現(xiàn)短暫同時(shí)導(dǎo)通的情況,從而出現(xiàn)短時(shí)大電流脈沖。這個(gè)問題降低了電源效率,也容易使驅(qū)動(dòng)管發(fā)熱損毀。


本文通過使用任意波函數(shù)發(fā)生器AFG對(duì)電子調(diào)速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和測試,在精準(zhǔn)測量出各路橋臂時(shí)延特性后,經(jīng)過驅(qū)動(dòng)軟件優(yōu)化讓電路達(dá)到了最佳控制效果。泰克AFG31000任意波函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)生任意脈沖波,具有雙通道輸出和極高的相位控制能力,對(duì)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(dòng)器起到了重要作用。


一、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(dòng)部件,是一種比較常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(lì)電流。典型的BLDC驅(qū)動(dòng)如圖1.1所示。Q1-Q6是6個(gè)MOSFET組成的直流轉(zhuǎn)交流的逆變電橋,每只管子在驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)下,有序開通和關(guān)閉,形成交流驅(qū)動(dòng)源。


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(dòng)管輸入電容不一致、控制信號(hào)線長度不一致、驅(qū)動(dòng)管開啟與關(guān)斷時(shí)延不一致等。使得一組橋臂的兩個(gè)MOSFET管的導(dǎo)通或截至的時(shí)間不同步,極易出現(xiàn)同一個(gè)橋臂的兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的情況。當(dāng)上下兩個(gè)MOSFET管同時(shí)導(dǎo)通時(shí),盡管時(shí)間非常短暫也會(huì)形成極大的短路脈沖電流,導(dǎo)致電源效率下降,驅(qū)動(dòng)管子發(fā)熱等現(xiàn)象,甚至損毀驅(qū)動(dòng)管。


本文通過任意波函數(shù)發(fā)生器AFG對(duì)無刷電子調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試解決驅(qū)動(dòng)不一致問題。在精確測量出驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過每組MOS管所產(chǎn)生的時(shí)延后,根據(jù)所測的時(shí)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(dòng)電橋到達(dá)最優(yōu)工作狀態(tài)。


二、電調(diào)硬件設(shè)計(jì)


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


圖2.1 電子調(diào)速器A相驅(qū)動(dòng)電路原理


圖2.2 電子調(diào)速器PCB


三、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(dòng)信號(hào),每個(gè)通道獨(dú)立可調(diào)整,將雙路輸出調(diào)整為可以激勵(lì)雙輸入模式,通過示波器觀察將激勵(lì)信號(hào)的在電路板上的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置將邊沿對(duì)齊。


圖3.1 雙通路高速示波器測試A_L端信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)到電機(jī)接口時(shí)延


圖3.1中可以觀察到A_L端信號(hào)通過線路及驅(qū)動(dòng)器件后產(chǎn)生的時(shí)延。信號(hào)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(duì)所有驅(qū)動(dòng)端分別激勵(lì)并測量出每個(gè)通道的時(shí)延。表1給出了各個(gè)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(hào)對(duì)稱性最差,B相和C相接近一致。A相有約2us的時(shí)延差別。


表1 各信號(hào)通路延時(shí)值測量


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