航模无人机中 PWM 信号频率浅谈

航模中执行机构:动力电调,舵机等基本都是通过PWM信号来驱动的,但不同的电机或电调输入的信号频率和占空比又是不一样的,这个是由什么决定的呢?今天就以我的理解来简单讲一讲。

最早的航模多是固定翼,是没有飞控的,PWM是由遥控器接收机的PWM通道输出的,频率大概是在50HZ左右(以前用示波器测试过乐迪遥控器的PWM频率是67.42HZ),这个频率主要由舵机的输入频率决定的,早期模拟舵机是直流伺服电机控制器芯片一般只能接收50Hz频率(周期20ms)~300Hz左右的PWM,脉宽在0.5-2.5ms之间。

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接收机

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舵机

后来多旋翼时代,一直沿用这个控制信号来做控制,但是对于多旋翼,要求更高的控制频率和精度,如果PWM还是50HZ,会限制电调每秒钟调节的次数最多就50次,得不到很好的控制效果,所以多旋翼飞控在输出PWM的时候会采用更高的频率,像Pixhawk采用的是400HZ,为什么不再高一些?这个主要由两方面决定的:

  1. 对于姿态控制一般飞机100HZ-250HZ就能取得良好的控制效果,再大由于电机与机身的转动惯量差别不大。再小的话也不能小于控制算法的控制频率。

  2. 电调识别的主要是PWM的脉宽1ms-2ms,也就是1ms认为油门是最小值,2ms认为油门是最大值,2ms对应的PWM周期是500HZ,所以这里决定了PWM频率的上限不能超过500hz,超过500,PWM的脉宽就达不到2ms了,留一定的裕量,400hz是比较好的选择。也许有人会问,为什么不把脉宽范围再小一点,1ms-2ms的脉宽既是一种延续,也是一种通用的规范,一般不会去更改,而且这里面还涉及到信号检测的问题,如果脉宽太小比如us级别的,很多性能差的处理器可能检测或识别比较困难。

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PWM信号波形图

有人可能还有一个疑问,输入给无刷电调的PWM频率是否会影响电机的转速和控制频率等,答案是否定,目前市场上主流的电调,PWM基本只是起到一个信号传递的作用,你也可以使用CAN或UART来传递信号。至于电机的控制,内部也会涉及到PWM的调节,但是此PWM非彼PWM,电调内部的PWM是由电调内部的算法来驱动的,电调会把输入PWM转换成对应的油门量再做控制。

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电调


以上讲的PWM主要是信号传递作用,主要关注点在脉宽的大小上,还有另外一种PWM,直接用来做斩波控制的,比如上面讲的电调内部控制电机的PWM,这种更关注占空比,从0%-100%,像开关电源一样用来直接控制电压大小的,普通的H桥有刷直流电机驱动就是采用这种方式,而这里面的频率会影响系统的噪音。如果频率过低会有啸叫或震动产生。综上读者要注意区分。

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