【四轴飞行器】【电源部分】3.7V到5.0V、3.3V电路设计

本文介绍了一种针对四轴飞行器的电路设计方案,利用空心杯电机与1S航模电池结合,通过PW5100升压模块将电压升至5V,再借助AMS1117-3.3降压至3.3V,为stm32单片机供电。

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电路设计思路

本四轴飞行器采用空心杯电机,即使用1S航模电池进行供电。但1S电压为3.7V~4.0V,不能直接给stm32单片机进行供电,所以通过升压降压电路得到3.3V的电压。先通过PW5100将电压升到5V,再通过AMS1117-3.3将电压降至3.3V。

pcb设计

在这里插入图片描述
注:该pcb把铺铜先去掉了,方便观察电路布局,且是全板铺铜设计。
设计布局思路就是上图所示,经过实物验证5V、3.3V电压是可以得到的,如果有不妥的地方还请读者指正,万分感谢!

<think>嗯,我仔细审阅了用户的问题和之前的对话,用户现在想了解空心杯电机采用PWM控制时如何设置频率的相关技术参数。这是一个高度专业的问题。从用户提问的关键词来看,核心词是"频率设置",这说明用户已经在应用层面对PWM控制有了基础认知,现在需要解决频率参数配置的实际问题。参考之前的引用内容,注意到两个关键信息点:一是文献提到PWM是常见控制方式但精度受限,二是ESP32平台的实现案例涉及频率配置。这些信息是解答的基础。在技术细节梳理上,我考虑从频率选择原则出发:首先,电机的电气特性决定了频率下限要高于可闻声范围,通常在1kHz以上避免噪声;其次,频率上限受限于开关器件性能,MOSFET在50kHz左右效率最佳;最后,电枢电感值是关键参数,小电感空心杯需要更高频率来平抑纹波。对于用户可能忽略的参数关联性,PWM频率会直接影响三个重要指标:电机效率方面需要权衡开关损耗和铁损的关系;电流纹波系数随频率上升而改善;电磁兼容性要求避免特定频段干扰。用户可能特别关心的具体应用场景差异也需要分析:普通调速场合20kHz是通用选择,STM32定时器正好可生成该频率;而对于微型无人机用的高转速空心杯,需采用48kHz以上降低齿槽转矩脉动;位置闭环系统则可能采用双频策略,基础频率保持稳定,叠加高频注入算法。在安全参数提醒部分,空载测试建议用户必须执行,这是防止高频失控烧毁电机的必要步骤。实验方法上应当先从低压小占空比开始测试,用示波器观察反电动势波形。最后的扩展建议中,考虑到用户下一步可能遇到的控制瓶颈,提前提示功率拓扑选型和电流采样方法,尤其是四线制电流检测电阻的布局要点,这对精确控制很重要。</think> 空心杯电机 PWM 控制频率的设置需综合考虑电机特性、驱动电路和控制需求,以下是关键技术要点: ### 一、核心频率范围选择原则 1. **基础范围** 通常适用 **1kHz - 50kHz** 范围,工业常用 **8kHz - 25kHz**: - **< 1kHz**:电机振动噪声明显,可能产生人耳可闻啸叫 - **> 50kHz**:开关损耗显著增加,驱动效率下降 2. **电气参数匹配公式** 理论最优频率计算: $$ f_{optimal} = \frac{R}{2\pi L} \times k $$ (其中 $R$ 为电机电阻,$L$ 为电感,$k$ ≈ 0.2-0.5 为衰减系数) ### 二、关键影响因素分析 | 参数 | 低频影响 (<10kHz) | 高频影响 (>30kHz) | |---------------|--------------------------|--------------------------| | **电流纹波** | 纹波增大,电机发热严重 | 纹波减小,温升改善 | | **响应速度** | 动态响应变慢 | 响应加快但易振荡 | | **驱动效率** | 铁损降低,铜损增加 | 开关损耗成倍增加 | | **EMI噪声** | 传导干扰明显 | 辐射干扰增强 | ### 三、具体场景推荐参数 1. **微型空心杯(如无人机)** - 工作电压3.7V-12V - **推荐频率:20kHz-48kHz** *优势:避开人耳敏感频段,兼顾响应速度* 2. **大功率空心杯(>100W)** - 工作电压:24V-48V - **推荐频率:8kHz-16kHz** *原因:降低IGBT/MOSFET开关损耗* ### 四、频率调整实验方法 1. **纹波测试法** 使用示波器观察相电流波形,调整频率至满足: $$ \Delta I_{pp} ≤ 15\% I_{rated} $$ (峰峰值纹波电流不超过额定电流15%) 2. **温升对比实验** ```python # 伪代码:自动频率扫描测试 for freq in range(5000, 40000, 1000): # 5kHz-40kHz扫描 set_pwm_frequency(freq) run_motor(50% duty) # 50%占空比运行 record_temp_after(10min) # 记录温升 optimal_freq = find_min_temp_freq() # 取最低温升频率 ``` ### 五、特殊场景处理 1. **高频共振问题** 当频率接近电机机械谐振点时(常见于25-35kHz): - 立即偏移频率 ±2kHz - 增加机械阻尼结构 2. **超低速控制** 采用 **双频混合策略**: ```mermaid graph LR A[主PWM 20kHz] -->|基准载波| B[叠加1kHz调制波] B --> C[实现0.1%占空比精度] ``` ### 六、重要注意事项 1. **死区时间补偿** 高频时必须配置死区时间: $$ t_{dead} ≥ \frac{100ns}{V_{bus}/100V} $$ (100V总线电压至少100ns死区) 2. **硬件限制检查** - MCU定时器最大频率(STM32F4最高168MHz→84kHz) - 驱动IC开关速度(如DRV8833支持50kHz) > **实测建议**:优先从 **16kHz** 开始测试,用红外测温枪监控电机外壳温度,若10分钟内温升>25°C需提高频率[^1]。精密控制场景建议采用频率自适应算法,实时补偿电感变化[^2]。
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