丸子~

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一个电调的诞生之路

2021-3-11 17:11:57 显示全部楼层
本帖最后由 丸子~ 于 2021-3-11 17:11 编辑

BACKGROUND

最近,大疆发布了旗下第一款FPV穿越机,给飞友圈造成了很大的轰动。广大热爱穿越机的小伙伴纷纷摩拳擦掌,想要入手,本人无奈手头拮据,内心的想法只好作罢。
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作为一个发烧友,买不起咱就自己做吧,毕竟在大疆出这台FPV之前,绝大多数飞友的穿越机都是自己组装的。

什么是穿越机?
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穿越机就长这个样子,四个大迎角扇叶和高KV的无刷电机可以给穿越机强劲的动力;微微上扬的广角摄像头在高速前进飞行时可以平视前方,获得最佳视野;外部的碳纤维机架让穿越机在炸机后的创伤降到最低;机架内部保护的就是图传接收机、飞控、电调这几大部件了。这次打算先做的就是穿越机上的电调了。

什么是电调?

电调是驱动电机用的调速器。电调对应使用的电机不同,分为有刷电调和无刷电调。
有刷电调对应于有刷电机,有刷电机就是有电刷的直流电机,就是小时候玩的四驱车上的那种小马达。他的转子为线圈。它的转动模型如下图所示。
Center.jpg

无刷电调对应于无刷电机,目前穿越机使用的电机几乎都为无刷电机,无刷电机的操作相对来说比较麻烦。
首先,无刷电机不是直流电机,模型虽然是直流电池供电,但通过无刷电调之后就转变为了三相交变电流传输到了三个极性上。通过下图可以看出,无刷电机是没有碳刷的,和有刷相反,无刷电机的磁铁成了转子。
Center.jpg
电调有啥用?

电调的作用很重要,因为无人机电机的电流很大,通常每个电机正常工作时的平均电流在3A左右,瞬时可达数百A,如果没有电调的存在,飞控板I/O根本无法承受这么大的电流。
一个电调模块一般有以下几部分组成:半桥、MCU、半桥驱动、电源、电流计等。
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单体无刷电调
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四合一无刷电调
在穿越机中四合一无刷电调较多,那为什么又四合一呢?
因为一般的四旋翼无人机有四个电机,需要四个无刷电调,对于像FPV这样的小型穿越机,他的体积很小,电调也很小,做到一块电路板上做成四合一无刷电调是为了体积也是适应了体积。基本上市面上的四合一无刷电调都是这样。这次做的也是四合一无刷电调。

PICK COMPONENTS

主控EFM8BB21

这次为了方便电调使用基于BLHeli_s J版本的固件,主控MCU选用的是SILICON LABS(芯科)的EFM8BB21。
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框架图可以看出,外设资源相当丰富,非常适合此类开发。
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驱动FD6288

无刷电调的半桥驱动选用的是峰岹科技(Fortior Technology)的FD6288,和主控EFM8BB21一起这是目前BL常用的8位电调组合方式了。

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FD6288外围电路简单,产品特点很切合无刷电调的各项需求。

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DRAW SCHEMATIC

电流计

元器件型号确定好之后原理图的绘制就简单许多,参照DataSheet应用框架以及实际经验即可完成多数情况下的设计。
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电流计:电流计可以监控无人机的实时电流、电压,并且还承担了给飞控供电的重任。没有电流计在地面站端就看不到电池电压和飞行电流这些重要信息参数,而且还需要单独给飞控进行供电。所以我们的电调中连同电流计一起加上。
电流监控芯片我采用常规的INA139。INA139为高侧单极分流监测计,兼具宽输入共模电压高、高速和低静态电流的特性,增益范围达到1~100以上,十分满足需求。

电源
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该部分为供电部分,给电调MCU以及飞控供电,为了减小体积采用常规的78L06和HT7333来生成6V和3.3V的点压。

半桥

半桥电路由两个功率开关器件组成,它们以图腾柱的形式连接在一起,并进行输出,提供方波信号。

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三个半桥构成了无刷电调输出ABC三相的控制开关电路。这是EFM8BB21和FD6288最常见的搭配了,电路部分没什么好说的,很经典的驱动电路。

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DRAW PCB

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PCB的绘制是一门技术活,在这么小的空间里塞下这么多器件,同时又要满足大电流的需求,着实让人布线布到心发慌。
为了满足大电流需求采用了四层板,增加了电源和地层,信号保护在中上层。

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20.png
穿越机时速可达200km/h+,百米加速可以2s以内,这速度绝对是其他机型不能比的,而相对而来的就是巨大的瞬时电流。这个四合一电调根据MOS管和过电能力大概可以过40A*4的电流。PCB各层铜厚均要2oz以上。如果铜厚不足,过电能力太弱,极可能烧毁电路板。像弹射起步这样高电流的动作时很可以就是弹出一个火球而不是飞机了。

DEBUGGING
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完成绘制后检查无误发厂打样,一个星期后板子就能回来了。板子回来后要进行的就是元件焊接,烧写固件,调试参数。尤其是焊接,0402的电阻、QFN的芯片封装,都是在考验焊接能力,稍有不慎就是火花四溅。

这次分享大概就是这样,板子刚发厂,还要一段时间才回来,有时间再验证一下可用性。

画板仓促,可能还需要迭代,如有问题请各位大佬指点。

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SnailWillow

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SnailWillow 2021-3-11 20:54:58 显示全部楼层
啥时候能有个全国大学生电调大赛????

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哈哈哈,那可不得了了  详情 回复 发表于 2021-3-12 16:01

电子阔少

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电子阔少 2021-3-11 22:29:38 显示全部楼层
芯科的EFM8BB21还是比较强大的
0402的电阻、QFN的芯片封装手工打样难度太大,拿烙铁的技术没有两下子不敢焊接

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丸子版主自己焊的?  详情 回复 发表于 2021-3-12 17:16
哈哈哈,就是要挑战一下哈,焊好了成就感可不是一般的高  详情 回复 发表于 2021-3-12 16:01

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火引冰薪 2021-3-12 09:08:17 显示全部楼层
四层PCB工作量也不小,楼主能否介绍一下这个穿越机相关的控制算法。

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可以啊,过段时间写一篇  详情 回复 发表于 2021-3-12 16:00
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丸子~

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丸子~ 2021-3-12 16:00:37 显示全部楼层
火引冰薪 发表于 2021-3-12 09:08
四层PCB工作量也不小,楼主能否介绍一下这个穿越机相关的控制算法。

可以啊,过段时间写一篇

丸子~

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丸子~ 2021-3-12 16:01:20 显示全部楼层
电子阔少 发表于 2021-3-11 22:29
芯科的EFM8BB21还是比较强大的
0402的电阻、QFN的芯片封装手工打样难度太大,拿烙铁的技术没有两下子不敢焊 ...

哈哈哈,就是要挑战一下哈,焊好了成就感可不是一般的高

丸子~

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丸子~ 2021-3-12 16:01:50 显示全部楼层
SnailWillow 发表于 2021-3-11 20:54
啥时候能有个全国大学生电调大赛????

哈哈哈,那可不得了了

电子阔少

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电子阔少 2021-3-12 17:16:21 显示全部楼层
电子阔少 发表于 2021-3-11 22:29
芯科的EFM8BB21还是比较强大的
0402的电阻、QFN的芯片封装手工打样难度太大,拿烙铁的技术没有两下子不敢焊 ...

丸子版主自己焊的?

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打算自己焊焊试试  详情 回复 发表于 2021-3-13 09:24
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简单qqq

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坐等调试结果。
另,半桥电路都是N-Mosfet?

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对呀,都是N的  详情 回复 发表于 2021-3-18 19:11

丸子~

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丸子~ 2021-3-18 19:11:55 显示全部楼层
追忆流年寻梦少年 发表于 2021-3-18 08:03
坐等调试结果。
另,半桥电路都是N-Mosfet?

对呀,都是N的
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