多旋翼无人机

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本文作者:李德强
          第三节 电调与PWM信号
 
 

一、电调简介

        在上一讲中我们知道电机是靠电调来控制的。所谓电调就是电压调节器,也可以通俗的说成是电机调节器。电调可以通过接收PWM信号来将输入的电源转为不同的电压,并输出到电机,从而达到使电机产生不同的转速的目的。有刷电调可以改变电流方向,从而可以改变电机转动方向。而无刷电调却不能改变电机的转动方向,但是可以将直流电转为三相交流电,从而输出到无刷电机上。电调还有两个比较重要的指标:最高电压和最大电流。

        最高电压表示电调所支持的最高电压。通常在电调上会标有Li-Po3(3节锂电池)、Li-Po4(4节锂电池)或Li-Po6(6节锂电池)等字样,表示电调所支持的最高电压是12.6v、16.8v或25.2v。关于动力电池的相关知识我们会在下一讲中学习。电调的最高电压并不是越高越好,从直观感受上讲最高电压的越大,电调的体积就越大,重量也就越大,飞机的负载也就越大。所以在飞机设计中通常是选择合适的电调,而不是一味的选择高电压电调。

        另一个重要指标就是电调的最大电流。它表示流经电调本身的电流的最大值,通常是10A、15A、20A、30A或40A。如果在无人机飞行过程中我们需要电机高速转动,就需要更高的电压和更大的电流,如果电流值超过电调所能承受的最大电流时,就会导致电调过载,电调烧毁,电机停转,进而坠机的情况。所以电调最大电流的选择上也要慎重考虑,通常在450mm轴距以下的多旋翼中采用20A以下的电调就可以满足需要了。

        电调生产商通常会在最高电压和最大电流的中预留10%的超额范围,以防万一。另外,当实际电流很大时,电调的内阻就不能完全忽略,但这通常不太好计算,读者只需要了解电调是有内阻的,当电流很大时,电调本身也会消耗掉一部分功率就可以了。

 

二、PWM信号

        PWM英文全称为(Pulse-width modulation)。也称占空比信号,它表示高电平时长占整个信号周期的比例。例如:PWM的整个周期为2ms,而高电平时长为0ms,低电平时长为2ms,那么占空比的值为0%;又如高电平时长为1ms,而低电平时长为1ms,那么占空比信号则为50%;如果高电平时长为2ms,而低电平时长为0ms,那么占空比信号为100%。我们可以看下图:

        PWM信号的频率是通常是没有规定的,可以是50hz、100hz、200hz或500hz等等。控制频率越高,其周期越短,控制间隔也就越短,电调和电机响应速度也就越快。反之,控制频率越低,其周期就越长,控制间隔就越长,电调和电机的响应速度就越慢。早期电调响应PWM信号的频率是50hz,但随着科技的发展和对控制流畅度的要求,现在多数电调都支持500hz以上的PWM信号,并且电调内部自带滤波器,可以很好的响应并控制电机的转动。

 

三、有刷电调

        有刷电调是用于有刷电机的。我们可以通过向电调输入PWM信号,从而使电调来控制有刷电机。在上一讲我们提到,想要改变电机的转动方向,只需要改变其电源的正负极即可,也就是改变电流的方向。有刷电调可以通过内部电路来改变输出电流的方向,从而达到电机不同方向的转动。我们来看下图:

        从上图中我们可以清楚的看到当PWM为75%时,电机停止转动,当PWM为50%时,电机反向转动,而当PWM为100%时电机正向转动。当然电调不仅仅会让电机正反转,而是可以通过PWM的占空比大小来调节电机转动的速度。当PWM由75%逐渐变化到50%时,电机就会由停转不断反向加速转动,直到反向转动达到最大值。而PWM由75%逐渐变化到100%时,电机由停转不断正向加速,直到正转达到最大值。就是说PWM是一个可以连续变化的信号,有效范围是50%到100%,但是通常电调可接受的PWM值范围都会大于这个范围,例如有些电调的PWM范围是40%到100%。

 

四、无刷电调

        对于无刷电调来说,它的作用是将直流电源转为三相交流电,并可以通过改变输出电压,从而改变无刷电机转动的速度。与有刷电调不同的是,无刷电调不能改变电机的转动方向,在上一讲中我们已经提及这个问题,改变无刷电机转动方向只需要将电机的三根电源线的任意两根反接即可。下面我们来一起看看无刷电调的PWM控制方法,由于无刷电调不能改变电机的转动方向所以PWM占空比由50%到100%逐渐变化的过程就是电机由停转到越转越快的过程,直至达到最大转速。如下图:

 

五、电机安全保护

        细心的读者可能会看到这样的一个有趣的现象,电机转动的PWM范围是50%到100%的占空比信号,而不是0%到100%。这是为什么呢?让我们先来看看在电调的初始化过程,再来给大家解答这个问题,先来看看电调的从上电到进入工作状态 的3个过程:

第 1 阶段:上电,没有接收到PWM信号,每经过3秒之后进行一次短鸣。除接收3秒以上的50% PWM信号之外,不对任何PWM输入做响应,处于电机保护状态。

第 2 阶段:接收到3秒以上的50% PWM信号,根据当前锂电池的节数短鸣 n 次,再长鸣 1 次,表示初始化完成,解除电机保护,进入工作状态。

第 3 阶段:在工作状态下接收50%到100%的PWM信号,控制电机由停转到最大转速之间变化。

        我们在电调上电时没对其输入任何PWM信号,电调会每隔3秒短鸣笛1次,表示没有接收到PWM输入。之后当我们给电调输入70%、90%、100%的PWM信号时,电调都不会向电机输出电压,因为电调目前还处于电机保护状态。也就是说,在电机保护状态下无论我们给电调输入多大的PWM信号(50%除外),电调都不会驱动电机转动。此时电调需要接收3秒以上的50%的PWM信号,表示信号来源运行正常,此时电调会根据锂电池的节数短鸣 n 次再长鸣 1 次。例如电源为 3S 锂电池时,电调在初始化时短鸣 3 次,再长鸣 1 次,表示初始化完成;如果是 4S 锂电池,则短鸣 4 次,再长鸣 1 次,如果 6S 锂电池,则长鸣 6 次,短鸣 1 次。此时电调初始化完成,并对电机解除保护,之后再输入70%、90%、100%的PWM信号时。电机则会以不同的速度转动。

        现在我们来回答前面的问题,为什么电调可接受的PWM信号是50%到100%而不是0%到100%,原因是为了对电机做保护。如果电调可以接受0%到100%的PWM信号,那么如果电调上电却没有接收到任何的PWM信号,注意,此时的信号一直是低电平,那么也就是0%的PWM信号。这时如果电调把0%的PWM信号作为初始化的条件,经过3秒之后,电调就会解除对电机的锁定,进入工作状态。而如果此时遥控器的油门不小心处于最大值(不当使用或误触碰到了油门杆时),当遥控器一上电,电调就会收到100%的PWM信号,电机都就立即高速转动起来。这对于已经安装了螺旋桨的飞机来说是非常危险的。所以电调的保护PWM值为50%,而不是0%。

 

六、最大最小行程校准

        电调还有一个功能,叫作最大最小行程校准。通常电调能接收的PWM信号范围是50%到100%,但有一些电调的可接收范围更大,我们假设对其输入的PWM信号频率为500hz,周期为2.0毫秒,那么PWM的50%和100%对应的高电平持续时长为1000微秒和2000微秒。而我们需要让电调能接收更大的PWM范围,比如880毫秒到2000毫秒。那么就需要对电调做最大最小行程校准。其过程如下:

第 1 阶段:电调断电,此时要给电调持续输出PWM最大值信号。

第 2 阶段:给电调上电,PWM最大值不变,并持续3秒,此时电调会发出 3 次音乐鸣响 do ra mi 。

第 3 阶段:当电调发出音乐鸣响 do ra mi 之后需要将PWM信号立即降低到最小值并保持 3 秒以上。此时电调会根据锂电池的节数发出 n 次短鸣再加上 1 次长鸣,表示校准完成,解除电机保护,进入工作状态。

第 4 阶段:在工作状态下接收最小值和最大值之间的PWM信号,控制电机由停转到最大转速之间变化。

        电调的最大行程校准并不是必须的,当电调出厂前,生产商已经为其校准过了,当实际需要对电调做最大最小行程校准时,可以使用遥控器来操作,也可以通过软件程序来操作。

 

 

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#1楼  Delta  于 2018年11月18日16:18:16 发表
 
电调最大最小行程校准:

让电调能接收更大的PWM范围,比如880毫秒到2000毫秒,这里的毫秒是不是应该为微秒。
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