無人機初級篇系列第 7 講：電調與PWM信號

一、電調簡介

在上一講中我們知道電機是靠電調來控制的。所謂電調就是電壓調節器，也可以通俗的說成是電機調節器。電調可以通過接收PWM信號來將輸入的電源轉為不同的電壓，並輸出到電機，從而達到使電機產生不同的轉速的目的。有刷電調可以改變電流方向，從而可以改變電機轉動方向。而無刷電調卻不能改變電機的轉動方向，但是可以將直流電轉為三相交流電，從而輸出到無刷電機上。電調還有兩個比較重要的指標：最高電壓和最大電流。

最高電壓表示電調所支持的最高電壓。通常在電調上會標有Li-Po3（3節鋰電池）、Li-Po4（4節鋰電池）或Li-Po6（6節鋰電池）等字樣，表示電調所支持的最高電壓是12.6v、16.8v或25.2v。關於動力電池的相關知識我們會在下一講中學習。電調的最高電壓並不是越高越好，從直觀感受上講最高電壓的越大，電調的體積就越大，重量也就越大，飛機的負載也就越大。所以在飛機設計中通常是選擇合適的電調，而不是一味的選擇高電壓電調。

另一個重要指標就是電調的最大電流。它表示流經電調本身的電流的最大值，通常是10A、15A、20A、30A或40A。如果在無人機飛行過程中我們需要電機高速轉動，就需要更高的電壓和更大的電流，如果電流值超過電調所能承受的最大電流時，就會導致電調過載，電調燒毀，電機停轉，進而墜機的情況。所以電調最大電流的選擇上也要慎重考慮，通常在450mm軸距以下的多旋翼中採用20A以下的電調就可以滿足需要了。

電調生產商通常會在最高電壓和最大電流的中預留10%的超額範圍，以防萬一。另外，當實際電流很大時，電調的內阻就不能完全忽略，但這通常不太好計算，讀者只需要了解電調是有內阻的，當電流很大時，電調本身也會消耗掉一部分功率就可以了。

二、PWM信號

PWM英文全稱為（Pulse-width modulation）。也稱占空比信號，它表示高電平時長占整個信號周期的比例。例如：PWM的整個周期為2ms，而高電平時長為0ms，低電平時長為2ms，那麼占空比的值為0%；又如高電平時長為1ms，而低電平時長為1ms，那麼占空比信號則為50%；如果高電平時長為2ms，而低電平時長為0ms，那麼占空比信號為100%。我們可以看下圖：

PWM信號的頻率是通常是沒有規定的，可以是50hz、100hz、200hz或500hz等等。控制頻率越高，其周期越短，控制間隔也就越短，電調和電機響應速度也就越快。反之，控制頻率越低，其周期就越長，控制間隔就越長，電調和電機的響應速度就越慢。早期電調響應PWM信號的頻率是50hz，但隨著科技的發展和對控制流暢度的要求，現在多數電調都支持500hz以上的PWM信號，並且電調內部自帶濾波器，可以很好的響應並控制電機的轉動。

三、有刷電調

有刷電調是用於有刷電機的。我們可以通過向電調輸入PWM信號，從而使電調來控制有刷電機。在上一講我們提到，想要改變電機的轉動方向，只需要改變其電源的正負極即可，也就是改變電流的方向。有刷電調可以通過內部電路來改變輸出電流的方向，從而達到電機不同方向的轉動。我們來看下圖：

從上圖中我們可以清楚的看到當PWM為75%時，電機停止轉動，當PWM為50%時，電機反向轉動，而當PWM為100%時電機正向轉動。當然電調不僅僅會讓電機正反轉，而是可以通過PWM的占空比大小來調節電機轉動的速度。當PWM由75%逐漸變化到50%時，電機就會由停轉不斷反向加速轉動，直到反向轉動達到最大值。而PWM由75%逐漸變化到100%時，電機由停轉不斷正向加速，直到正轉達到最大值。就是說PWM是一個可以連續變化的信號，有效範圍是50%到100%，但是通常電調可接受的PWM值範圍都會大於這個範圍，例如有些電調的PWM範圍是40%到100%。

四、無刷電調

對於無刷電調來說，它的作用是將直流電源轉為三相交流電，並可以通過改變輸出電壓，從而改變無刷電機轉動的速度。與有刷電調不同的是，無刷電調不能改變電機的轉動方向，在上一講中我們已經提及這個問題，改變無刷電機轉動方向只需要將電機的三根電源線的任意兩根反接即可。下面我們來一起看看無刷電調的PWM控制方法，由於無刷電調不能改變電機的轉動方向所以PWM占空比由50%到100%逐漸變化的過程就是電機由停轉到越轉越快的過程，直至達到最大轉速。如下圖：

五、電機安全保護

細心的讀者可能會看到這樣的一個有趣的現象，電機轉動的PWM範圍是50%到100%的占空比信號，而不是0%到100%。這是為什麼呢？讓我們先來看看在電調的初始化過程，再來給大家解答這個問題，先來看看電調的從上電到進入工作狀態 的3個過程：

第 1 階段：上電，沒有接收到PWM信號，每經過3秒之後進行一次短鳴。除接收3秒以上的50% PWM信號之外，不對任何PWM輸入做響應，處於電機保護狀態。

第 2 階段：接收到3秒以上的50% PWM信號，根據當前鋰電池的節數短鳴 n 次，再長鳴 1 次，表示初始化完成，解除電機保護，進入工作狀態。

第 3 階段：在工作狀態下接收50%到100%的PWM信號，控制電機由停轉到最大轉速之間變化。

我們在電調上電時沒對其輸入任何PWM信號，電調會每隔3秒短鳴笛1次，表示沒有接收到PWM輸入。之後當我們給電調輸入70%、90%、100%的PWM信號時，電調都不會向電機輸出電壓，因為電調目前還處於電機保護狀態。也就是說，在電機保護狀態下無論我們給電調輸入多大的PWM信號（50%除外），電調都不會驅動電機轉動。此時電調需要接收3秒以上的50%的PWM信號，表示信號來源運行正常，此時電調會根據鋰電池的節數短鳴 n 次再長鳴 1 次。例如電源為 3S 鋰電池時，電調在初始化時短鳴 3 次，再長鳴 1 次，表示初始化完成；如果是 4S 鋰電池，則短鳴 4 次，再長鳴 1 次，如果 6S 鋰電池，則長鳴 6 次，短鳴 1 次。此時電調初始化完成，並對電機解除保護，之後再輸入70%、90%、100%的PWM信號時。電機則會以不同的速度轉動。

現在我們來回答前面的問題，為什麼電調可接受的PWM信號是50%到100%而不是0%到100%，原因是為了對電機做保護。如果電調可以接受0%到100%的PWM信號，那麼如果電調上電卻沒有接收到任何的PWM信號，注意，此時的信號一直是低電平，那麼也就是0%的PWM信號。這時如果電調把0%的PWM信號作為初始化的條件，經過3秒之後，電調就會解除對電機的鎖定，進入工作狀態。而如果此時遙控器的油門不小心處於最大值（不當使用或誤觸碰到了油門桿時），當遙控器一上電，電調就會收到100%的PWM信號，電機都就立即高速轉動起來。這對於已經安裝了螺旋槳的飛機來說是非常危險的。所以電調的保護PWM值為50%，而不是0%。

六、最大最小行程校準

電調還有一個功能，叫作最大最小行程校準。通常電調能接收的PWM信號範圍是50%到100%，但有一些電調的可接收範圍更大，我們假設對其輸入的PWM信號頻率為500hz，周期為2.0毫秒，那麼PWM的50%和100%對應的高電平持續時長為1000微秒和2000微秒。而我們需要讓電調能接收更大的PWM範圍，比如880毫秒到2000毫秒。那麼就需要對電調做最大最小行程校準。其過程如下：

第 1 階段：電調斷電，此時要給電調持續輸出PWM最大值信號。

第 2 階段：給電調上電，PWM最大值不變，並持續3秒，此時電調會發出 3 次音樂鳴響 do ra mi 。

第 3 階段：當電調發出音樂鳴響 do ra mi 之後需要將PWM信號立即降低到最小值並保持 3 秒以上。此時電調會根據鋰電池的節數發出 n 次短鳴再加上 1 次長鳴，表示校準完成，解除電機保護，進入工作狀態。

第 4 階段：在工作狀態下接收最小值和最大值之間的PWM信號，控制電機由停轉到最大轉速之間變化。

電調的最大行程校準並不是必須的，當電調出廠前，生產商已經為其校準過了，當實際需要對電調做最大最小行程校準時，可以使用遙控器來操作，也可以通過軟體程序來操作。