航模电机驱动控制

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航模电机驱动控制

原文链接：http://www.crazepony.com/wiki/motor-control-ic.html

电机驱动控制就是控制电机的转动或者停止，以及转动的速度。电机驱动控制部分也叫做电子调速器，简称电调，英文electronic speed controller（ESC）。电调对应使用的电机不同，分无刷电调和有刷电调。

有刷电机的永磁体是固定不动的，线圈绕在转子上，通过电刷跟换相器接触来改变磁场方向来保持转子持续转动。无刷电机，顾名思义，这种电机是没有电刷和换相器的，他的转子是永磁体，而线圈是固定不动的，直接接到外部电源，问题就来了，线圈磁场方向怎么改变呢？事实上，无刷电机外部还需要一个电子调速器，这个调速器就是一个电机驱动，通过改变固定线圈内部电流的方向，保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥，持续转动得以延续。

有刷电机工作可以不需要电调，直接把电供给电机就能够工作，但是这样无法控制电机的转速。无刷电机工作必须要有电调，否则是不能转动的。必须通过无刷电调将直流电转化为三相交流电，输给无刷电机才能转动。

一般使用PWM的占空比来控制电机的转速。
Crazepony电机驱动

无刷电机的操作相对来说是比较麻烦的，而有刷电机就是我们小时候玩的四驱车上的那种电机，接上电就能猛转，反着接它就反着猛转，就是这么简单。

Crazepony使用的是有刷空心杯电机，所以电机的控制属于有刷直流电机控制，相对于无刷电调来说要简单很多。Crazepony采用的是有刷空心杯高速电机，转速在3W转/分钟左右。要驱动有刷电机，很简单，只需要将信号的驱动能力增大，就能驱动有刷电机了。

那么选择什么元件来提供这样的特性呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管，中功率管的失败，最后选用的是场效应管（即MOSFET）SI2302。

由于笔者完全是由于一种强烈的爱好选择了飞行器，最开始连有刷电机和无刷电机的物理结构区别都不知道，电调又是啥？傻傻分不清楚……

    从一个几乎零基础的状态去选择电机驱动芯片，弯路是必须要走的，学费是必须要交的。曾以为书上学到的东西马上就能用，马上能转化为产品，后来发现真的是自己想多了。

最开始用的三极管作为电机驱动，采用很经典的共射电路“三极管工作在开关状态应该就行了吧？”画了用三极管驱动的PCB板，发现电机越转越慢，根本没劲。“也许是因为三极管扛不了大电流，好吧那我换个中功率管吧，集电极最大6A电流行了吧？”可以想象结果是不行的。

首先了解下为什么三极管作为简单的电机驱动是不可取的方案： * 三极管作为一个古老的半导体先驱，它是以一个放大器件的姿态而出现的，它在线性区域特性集中，饱和与截止都是两种极端的工作状态，而作为电机驱动的话，我们只能选择它的这两种极端工作模式。 * 用三极管作为大电流负载的驱动管时，不得不考虑的是他自身的管压降对负载的影响，这是很严重的。自身耗散越来越大，电机和管子是串联关系，电池电压只有3.7V，电机就只能越转越慢了

在晶体管家族里面还有一种跟三极管特性互补的，所有特性都集中在开关状态的晶体管，场效应管，即MOSFET。通常的场效应管完全导通时，源漏极电阻都是mΩ级别的，即它自身的耗散非常小。用它做为驱动管再合适不过了。最终选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs<4v的场管（SI2302）,结果表现出了很好的驱动性能。

每个场效应管接一个大电阻下拉，目的是为了防止在单片机没接手电机的控制权时，电机由于PWM信号不稳定开始猛转。接一个下拉电阻，保证了场管输入信号要么是高，要么是低，没有不确定的第三种状态。那么电机也只有两种状态，要么转，要么不转。主控输出的是PWM波形，用于控制场效应管的关闭和导通，从而控制电机的转动速度。这就是crazepony电机驱动的原理。就是这么简单。
无刷电调（读做tiao）

在《电机与桨叶》一文中，我们提到大四轴基本上都是使用的无刷电机，无刷电机控制必须配合无刷电调使用。

无刷电调的输入是直流，通常直接接航模电池。输出是3根线，驱动无刷电机。另外无刷电调还有三根信号线，一般输入PWM信号，用于控制电机的转速。对于航模，尤其是四轴飞行器，由于其特殊性，需要专门的航模电调。

那么为什么在四轴飞行器上需要专门的电调呢，其有什么特别的地方？四轴飞行器有四个桨，两两相对呈十字交叉结构。在桨的转向上分正转和反转，这样可抵消单个桨叶旋转引起的自旋问题。每个桨的直径很小，四个桨转动时的离心力是分散的。不像直机的桨，只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力，保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常航模直升机用到的电机控制信号更新频率很低，而航模四轴飞行器用到的控制信号更新频率很高。

四轴为了能够快速反应，以应对姿态变化引起的飘移，需要高反应速度的电调，常规PPM电调的更新速度只有50Hz左右，满足不了这种控制所需要的速度，且PPM电调MCU内置PID稳速控制，能对常规航模提供顺滑的转速变化特性，用在四轴上就不合适了，四轴需要的是快速反应的电机转速变化。用高速专用电调，IIC总线接口传送控制信号，可达到每秒几百上千次的电机转速变化，在四轴飞行时，姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击，依旧安然无恙。

对于四轴飞行器，我们一般使用无感无刷直流电机，电调利用第三相的感生电动势来测量转子位置。而对应的车模和船模，因为其电机需要频繁启动、停止、反转,而且对整套动力系统的重量也不是十分讲究,故用有感无刷电机，电调使用电机上的霍尔效应器件来检测转子的位置。

下图为车模/船模上使用的有感无刷直流电机及对应的电调，Hobbywing（好盈）公司的Quicrun系列3650型号。

BLHeli

BLHeli是一个开源的电调硬件及软件项目。BLHeli电调的完善和流行是在2015年，跟随穿越机市场的发展。BLHeli电调是电调发展的里程碑，在10-30A电调领域，打破了原来几个大的电调厂商孤立闭源的格局。现在很多老牌电调品牌都推出了支持BLHeli固件的电调。

    在BLHeli开源电调以前，有一个叫做Simonk的开源电调，但是当时还不是很成熟。

由于BLHeli的硬件和软件都是开源的，所以市面上出现了很多基于BLHeli的电调。最著名的是FVT Littlebee ESC等，其中Littlebee是其中一个BLHeli固件版本的代号，一般称为小蜜蜂电调。

BLHeli电调可以通过BLHeliSuite上位机进行固件版本升级，参数修改等，非常方便。下面是该上位机的界面。