直流电机 PWM 载波频率优化：通过扫频实验寻找最低输入能耗点

背景

电池供电的直流电机执行器经霍尔脉冲反馈位置/转速，并借零点霍尔信号回零；控制器以"位置外环 + 速度 PI 内环 + 速度前馈"完成定行程运动。鉴于续航与噪声约束，PWM 载波频率需权衡开关损耗、绕组纹波及噪声，因此对载波频率做了系统性扫频寻优。

工作内容与成果

• 搭建 AI 驱动的自动化测试环境：逆向低功耗分析仪的通信协议，将其封装为 MCP（Model Context Protocol）工具，打通固件烧录与串口指令下发链路，使 AI 能够自主完成固件烧录、运动控制指令发送和能耗数据采集。人工仅负责初始环境搭建与早期联调监督，之后由 AI 无人值守自动完成全频带扫频测试。
• 固定行程测量能耗：由低功耗分析仪同步采集固定行程内的输入电压与输入电流，对瞬时输入功率积分得到行程输入能耗；每频点重复 10 次，被测机全程常唤醒以消除低功耗睡眠唤醒干扰。
• 扫频寻求最优参数：实测固定行程输入能耗随载波频率呈 U 型曲线，定位本机最低能耗点，其测量中心值较原设定频点降低约 11.5%；高频端能耗明显抬升，与频率相关损耗增加的趋势一致。

实测扫频结果

损耗机理

在电流连续、平均电流近似不变，且 PWM 周期远小于电机电气时间常数 τe = L/R 的近似下，电流纹波满足 ΔI ∝ 1/f，由纹波引入的额外绕组铜损可写成 P_ripple ≈ k₂/f²。当单次开关能量近似不变时，驱动器开关损耗可写成 P_sw ≈ k₁f。加上与载波频率近似无关的基线损耗 P₀，总损耗可近似表示为 P_total ≈ P₀ + k₁f + k₂/f²；该模型用于解释 U 型趋势，不代表本次扫频完成了各项损耗的独立测量。