AFG在解决无刷电子调速器测试中驱动不一致问题中具备哪些优势？

电子调速器，英文Electronic Speed Control，简称ESC/中文称为电调。其用途是将直流电转化成交流电驱动无刷电机的一种电子装置。针对电机的不同，其具备两种功能：有刷电调和无刷电调。一般情况下电调有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，经常发生桥臂上下两只MOSFET管的导通或截至时间不同步。非常容易出现同一个桥臂中上下两只MOSFET发生短暂同时导通的情况，进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。

本篇分享将采用任意波函数发生器AFG对电子调速器进行驱动及测试，在精准测量出各路桥臂时延特性以后，通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，具备双通道输出和极高的相位控制能力，对精准测量有着至关重要的作用，同样在为本篇中实现高效驱动器起到了重要作用。

大部分的多旋翼无人机一般都使用电子调速器作为电机的驱动部件，是一种较为常见的电机驱动装置。电子调速器的主要通过PWM脉冲来完成三相激励电流。典型的BLDC驱动如下图所示。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，从而形成交流驱动源。

【三相逆变桥结构图】

可是在实际电路中总是存在一些未知影响因素。譬如：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多种情况。进而导致一组桥臂的两个MOSFET管的导通或截至的时间不同步，非常容易发生同一个桥臂的两个管子同时导通的现象。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，促使电源效率下降，驱动管子发热等现象，严重的话将会损毁驱动管。

接下来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，依据所测的时延差数据，利用软件进行调整和优化，最后使驱动电桥到达最优工作状态。

如下图所示，此部分为电子调速器A相输出，驱动器使用了集成电路。下图1是完整实验板PCB，在此可以发现制作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。

【电子调速器A相驱动电路原理】

【电子调速器PCB】

泰克AFG31000任意波函数发生器能够输出双路驱动信号，每个通道独立可调整，把双路输出调整为可以激励双输入模式，利用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。

【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】

从上图中能够观察到A_L端信号通过线路及驱动器件后产生的时延。信号在下降沿部分发生了弯曲变化，这可能是线路上分布电容引起的。因此对全部的驱动端分别激励并测量出每个通道的时延。下图所示表格中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。

【各信号通路延时值测量】

按照各路实测结果，能够确定线路最大延迟量为20us，所以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，例如将A-H这路增加1.9us达到20us。在此单片机的运行速度决定了驱动器可以达到的精准性。如有可能，使用汇编写这个部分是最佳的方法。汇编语言具备很好实时性，能够把误差控制在一个机器周期以内，但缺点则是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，之后再采用反汇编进行调试。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。

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。因此设计了一组对比测量，环境搭建如上述图中所示。将调速器安装上带桨叶的电机，之后采用优化程序与未优化程序激励驱动器进行对比。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，测量结果如下图表中所示。

【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】

经过上述对比能够观察出，不管是优化程序激励的驱动器，又或是未优化程序所激励的驱动器，伴随转速提高，工作电流都将会成倍增加。这是因为转速提高后，电机阻力成倍增加的缘故。与其相同转速情况下的电流相对比，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。但在高转速情况下，电流减少较多，优势则十分明显。除此以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，且并未出现大电流脉冲，减少了调速器产生的电磁干扰。对此可知优化设计带来了不少的好处。图1是按照上述中的原理图进一步改进和缩小尺寸的驱动板，其性能进一步提升。当前该驱动板已应用到实际使用中，具备效率高、省电节能效果良好。