电调系统 产品需求文档
| 字段 | 内容 |
|---|---|
| 文档编号 | SUB-ESC-V0.1 |
| 版本 | V0.1 |
| 状态 | 草稿 |
| 作者 | 产品团队 |
| 日期 | 2026-04-14 |
| 审核人 | — |
修订记录
| 版本 | 日期 | 修订人 | 修订内容 |
|---|---|---|---|
| V0.1 | 2026-04-14 | 产品团队 | 初稿 |
| V0.2 | 2026-04-16 | 产品团队 | 构型修订：ESC数量8→4（V1四旋翼），预留8路扩展 |
1. 概述
1.1 目的
本文档定义电调系统（Electronic Speed Controller, ESC）的产品需求，作为电调硬件确认、固件完善、系统集成与测试的依据。电调系统负责接收飞控指令驱动电机精确转速控制，是飞行器动力链路的关键环节。
重要说明：电调硬件和软件已开发完成，正在测试中。本文档需求应与已有硬件/固件对齐，每条需求标注"已实现"或"待实现"状态。
1.2 适用范围
- 适用产品型号：XX 农业无人机
- 适用版本：V1.0 种子用户版（2025年10月交付）
- 电调数量：4个（每个电机配备独立ESC，对应V1四旋翼布局；V2升级为8个对应8旋翼）
1.3 关联文档
| 文档编号 | 文档名称 | 关系 |
|---|---|---|
| PRD-MASTER-V0.1 | 总体产品需求文档 | 上位需求来源 |
| SUB-FC-V0.1 | 飞控系统PRD | 上游控制器 |
| SUB-PS-V0.1 | 动力电池系统PRD | 供电来源 |
| ICD-01-V0.1 | 飞控与电调接口 | 接口定义 |
| ICD-08-V0.1 | 电源系统与各子系统接口 | 电源接口 |
1.4 术语定义
| 术语 | 定义 |
|---|---|
| ESC | 电子调速器（Electronic Speed Controller），将直流电转换为三相交流电驱动无刷电机 |
| FOC | 磁场定向控制（Field Oriented Control），高效电机驱动算法 |
| BLDC | 无刷直流电机（Brushless DC Motor） |
| MOSFET | 金属氧化物半导体场效应管，功率开关器件 |
| CAN | 控制器局域网络，工业级通信总线 |
| DSHOT | 数字信号协议，电调通信协议之一 |
| PWM | 脉冲宽度调制，传统电调控制信号 |
| KV值 | 电机空载时每伏特电压对应的转速（r/min/V） |
| Bootloader | 引导加载程序，用于固件在线升级 |
2. 系统描述
2.1 子系统职责
电调系统负责接收飞控转速指令，驱动4个无刷电机实现精确转速控制（V2升级为8个），并实时回报电机/电调运行状态，是飞行器动力系统的核心执行单元。
2.2 系统边界
[飞控系统] [电机×4（V2: ×8）]
│ ▲
│ CAN总线：转速指令 │ 三相驱动信号
│ 测试指令 │
│ 校准指令 │
│ 紧急停机指令 │
▼ │
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ 电调系统 (ESC × 8) │
│ │
│ ·接收飞控转速指令（CAN总线） │
│ ·FOC/方波驱动算法 │
│ ·转速闭环控制 │
│ ·电机状态监测（转速/电流/温度） │
│ ·故障保护（过流/过温/堵转/欠压） │
│ ·状态回报（CAN总线→飞控） │
│ ·固件升级（CAN Bootloader） │
│ │
└──────────────────────────────────────────────┘
▲
│ 供电：电池组直流输入（约52.5V~52.78V）
│
[动力电池]关键输入：
- 飞控转速指令：目标转速值（通过CAN总线，ICD-01定义）
- 电池直流供电：标称52.5V/52.78V（匹配DB2160/DB2212电池组）
关键输出：
- 三相驱动信号：驱动BLDC无刷电机
- 状态回报：实际转速（RPM）、相电流（A）、电调温度（°C）、故障码（通过CAN总线上报飞控）
2.3 工作环境
| 参数 | 要求 | 来源/备注 |
|---|---|---|
| 工作温度 | -10°C ~ 50°C | 电调实际运行温度，含自发热（飞行器整机工作0~40°C） |
| 存储温度 | -40°C ~ 85°C | 电子元器件工业级标准 |
| 湿度 | 5% ~ 95% RH（无凝露） | — |
| 防护等级 | ≥IP56 | 农业作业环境防尘防水（T100手册p29） |
| 特殊环境因素 | 农药腐蚀性气雾、高湿度、粉尘、强振动 | 电调安装在机臂上，振动环境恶劣 |
| 散热条件 | 旋翼下洗气流辅助散热 | 电调紧邻电机安装 |
3. 功能需求
3.1 硬件需求
以下需求用于对齐已有电调硬件设计。标注 [已实现] 或 [待确认] 状态。
3.1.1 电调拓扑
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-001 | 采用每电机独立ESC方案，V1共4个独立ESC（V2扩展为8个），每个ESC驱动一个电机 | P0 | [已实现] | 硬件检查 | 机型架构 |
| ESC-F-002 | 各ESC应具备独立的地址编号（ID 1~8），通过CAN总线与飞控独立通信 | P0 | [已实现] | CAN通信测试 | ICD-01 |
| ESC-F-003 | ESC地址编号应通过硬件拨码或固件配置设定，出厂前预设 | P0 | [已实现] | 配置检查 | 生产工艺 |
3.1.2 功率规格
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-004 | 单个ESC额定连续电流应≥60A（匹配电机额定功率2600W / 52.5V ≈ 50A，留20%余量） | P0 | [待确认] | 电流负载测试 | T100手册p29：电机2600W |
| ESC-F-005 | 单个ESC峰值电流应≥80A（满载起飞/阵风突变瞬态需求，持续时间≥10s） | P0 | [待确认] | 峰值电流测试 | 动力余量要求 |
| ESC-F-006 | ESC输入电压范围应为12S~14S LiPo（42V~58.8V），匹配电池组标称电压52.5V/52.78V | P0 | [已实现] | 输入电压测试 | T100手册p65：DB2160/DB2212 |
3.1.3 功率器件与散热
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-007 | MOSFET管应满足额定电流和耐压要求（Vds≥100V，Id≥80A），推荐低Rds(on)器件以降低发热 | P0 | [已实现] | 元器件规格审查 | ESC-F-004/005 |
| ESC-F-008 | ESC应具备铝基板或铜基板散热设计，结合旋翼下洗气流实现有效散热 | P0 | [已实现] | 温升测试 | 散热要求 |
| ESC-F-009 | ESC满载连续工作时（60A），MOS管结温应≤125°C，PCB温度≤85°C | P0 | [待确认] | 热成像测试 | 可靠性要求 |
3.1.4 通信接口
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-010 | 每个ESC应具备CAN通信接口（CAN 2.0B），用于接收飞控指令和回报状态数据 | P0 | [已实现] | CAN通信测试 | ICD-01 |
| ESC-F-011 | CAN总线波特率应为1Mbps（标准）或可配置 | P0 | [已实现] | 波特率验证 | ICD-01 |
| ESC-F-012 | ESC应支持CAN总线级联（菊花链或T型拓扑），V1共4个ESC共享CAN总线（V2扩展为8个） | P0 | [已实现] | 总线拓扑验证 | ICD-01 |
3.1.5 温度监测
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-013 | 每个ESC应集成温度传感器（NTC或片上温度传感器），实时监测电调自身温度 | P0 | [已实现] | 温度读取验证 | 故障保护需求 |
| ESC-F-014 | 温度数据应通过CAN总线回报飞控，更新频率≥2Hz | P0 | [待确认] | 数据回报验证 | ICD-01 |
3.1.6 防护设计
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-015 | ESC PCB应做三防（防潮/防盐雾/防霉）涂覆处理 | P0 | [已实现] | 工艺检查 | 农业环境防护 |
| ESC-F-016 | ESC连接器应具备防水密封设计，防护等级匹配整机IP56要求 | P0 | [已实现] | IP防护测试 | SYS-P-041 |
| ESC-F-017 | ESC外壳/涂覆应能耐受常见农药化学腐蚀 | P0 | [待确认] | 腐蚀测试 | 农业环境要求 |
3.2 固件功能需求
3.2.1 电机驱动算法
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-020 | ESC应支持FOC（磁场定向控制）驱动算法，实现高效静音驱动 | P0 | [已实现] | 电机运转测试 | 驱动效率要求 |
| ESC-F-021 | ESC应支持方波（六步换相）驱动模式作为FOC故障时的降级方案 | P1 | [待确认] | 降级模式测试 | 可靠性要求 |
| ESC-F-022 | FOC电流环频率应≥10kHz | P0 | [已实现] | 波形测量 | 驱动品质要求 |
| ESC-F-023 | ESC应支持电机参数自动识别（电阻/电感/KV值），简化适配流程 | P1 | [待确认] | 参数识别测试 | 生产调试需求 |
3.2.2 转速闭环控制
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-024 | ESC应实现转速闭环控制，根据飞控下发的目标转速值调节电机转速 | P0 | [已实现] | 转速跟踪测试 | ESC-P-002 |
| ESC-F-025 | 转速反馈应通过反电动势（BEMF）检测或霍尔传感器获取，精度≤±1% | P0 | [已实现] | 转速精度测试 | ESC-P-002 |
| ESC-F-026 | 转速闭环带宽应满足飞控400Hz姿态控制环的要求（转速响应时间≤100ms） | P0 | [待确认] | 阶跃响应测试 | ESC-P-001 |
3.2.3 状态回报
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-027 | ESC应通过CAN总线周期性回报：实际转速（RPM）、相电流（A）、电调温度（°C） | P0 | [已实现] | 数据回报验证 | ICD-01 |
| ESC-F-028 | 转速和电流回报频率应≥50Hz，温度回报频率应≥2Hz | P0 | [待确认] | 数据率验证 | 飞控需求 |
| ESC-F-029 | ESC检测到故障时应立即上报故障码（过流/过温/堵转/欠压/通信异常） | P0 | [已实现] | 故障注入测试 | ICD-01 |
3.2.4 故障保护
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-030 | 过流保护：相电流超过阈值（如1.5×额定电流）时，ESC应在≤1ms内限流或切断输出 | P0 | [已实现] | 过流测试 | 硬件保护 |
| ESC-F-031 | 过温保护：MOS管温度超过阈值（如110°C）时，ESC应降功率运行；超过极限值（如125°C）时切断输出 | P0 | [已实现] | 温升测试 | ESC-F-009 |
| ESC-F-032 | 堵转保护：检测到电机堵转（转速为0但有驱动电流）超过[TBD]ms时，ESC应切断输出防止过热 | P0 | [已实现] | 堵转模拟测试 | 安全要求 |
| ESC-F-033 | 欠压保护：输入电压低于安全阈值（如40V）时，ESC应上报欠压告警并降低最大输出功率 | P0 | [已实现] | 欠压模拟测试 | 电池保护配合 |
| ESC-F-034 | 紧急停机：接收飞控紧急停机指令后，ESC应在≤10ms内停止所有输出 | P0 | [待确认] | 急停响应测试 | FC-F-056, ICD-01 |
| ESC-F-035 | 故障保护触发后，ESC应通过CAN总线向飞控上报故障码和故障类型 | P0 | [已实现] | 故障上报验证 | ICD-01 |
3.2.5 固件升级
| 编号 | 需求描述 | 优先级 | 状态 | 验证方式 | 来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-F-036 | ESC应支持通过CAN总线进行在线固件升级（CAN Bootloader） | P0 | [待确认] | 固件升级测试 | 维护需求 |
| ESC-F-037 | 固件升级过程应支持断电恢复（升级中断后可重新升级，不变砖） | P0 | [待确认] | 断电恢复测试 | 可靠性要求 |
| ESC-F-038 | 固件升级应支持批量操作（通过飞控统一下发升级包至4个ESC，V2扩展为8个） | P1 | [待确认] | 批量升级测试 | 维护效率 |
4. 性能需求
| 编号 | 性能指标 | 我方目标值 | T100参考值 | 优先级 | 验证方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-P-001 | 转速响应时间（0→满转） | ≤200 ms | — | P0 | 阶跃响应测试 |
| ESC-P-002 | 转速控制精度（稳态误差） | ≤±2% | — | P0 | 稳态转速波动测试 |
| ESC-P-003 | 电能→机械能转换效率（满载作业工况） | ≥90% | — | P0 | 功率测量（输入功率vs轴功率） |
| ESC-P-004 | 工作温度范围 | -10°C ~ 50°C | 0°C ~ 40°C（整机） | P0 | 高低温环境测试 |
| ESC-P-005 | 额定连续电流 | ≥60 A | —（电机2600W/52.5V≈50A） | P0 | 连续负载测试 |
| ESC-P-006 | 峰值电流（持续≥10s） | ≥80 A | — | P0 | 峰值负载测试 |
| ESC-P-007 | CAN数据回报延迟（ESC→飞控） | ≤2 ms | — | P0 | 通信延迟测量 |
| ESC-P-008 | 紧急停机响应时间 | ≤10 ms | — | P0 | 急停信号→输出关断时间测量 |
| ESC-P-009 | 驱动PWM频率 | ≥24 kHz（超声波频段，静音运行） | — | P1 | 波形测量 |
| ESC-P-010 | MTBF（平均无故障时间） | ≥5000小时 | — | P1 | 加速寿命测试/可靠性分析 |
| ESC-P-011 | 单ESC重量 | ≤80g | — | P1 | 称重 |
| ESC-P-012 | 输入电压范围 | 42V~58.8V（12S~14S LiPo） | 52.5V/52.78V标称 | P0 | 电压范围测试 |
5. 安全需求
| 编号 | 安全需求描述 | 触发条件 | 系统响应 | 优先级 | 验证方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESC-S-001 | 过流保护：单个ESC过流时应自动限流，不应导致MOSFET烧毁 | 相电流>1.5×额定 | 硬件限流/切断输出+故障码上报 | P0 | 过流测试 |
| ESC-S-002 | 过温降额：温度超过预警阈值（100°C）时降低最大输出功率；超过保护阈值（125°C）时切断输出 | MOS温度超限 | 降额/切断+故障码上报 | P0 | 温升测试 |
| ESC-S-003 | 堵转保护：堵转检测后切断输出，避免电机/电调过热烧毁 | 电机堵转>500ms | 切断输出+故障码上报 | P0 | 堵转模拟 |
| ESC-S-004 | 欠压保护：输入电压过低时限制输出，保护电池不被过放 | 输入电压<40V | 降低最大功率+告警上报 | P0 | 欠压模拟 |
| ESC-S-005 | 单ESC故障隔离：单个ESC故障不应影响同一CAN总线上其他ESC的正常通信 | 单ESC硬件故障 | 故障ESC断开CAN总线输出 | P0 | 故障隔离测试 |
| ESC-S-006 | 上电安全：ESC上电后应保持电机停止状态，直到接收到飞控的有效解锁和转速指令 | ESC上电 | 保持电机停转 | P0 | 上电行为测试 |
| ESC-S-007 | 通信丢失保护：超过[TBD]ms未收到飞控指令时，ESC应自动将电机转速逐渐降至怠速或停止 | CAN指令超时 | 转速逐渐下降→停止 | P0 | 通信中断测试 |
6. 合规需求
| 编号 | 法规/标准 | 需求描述 | 优先级 | 认证周期预估 |
|---|---|---|---|---|
| ESC-C-001 | EMC标准 | 电调驱动电机时产生的电磁辐射应满足GB/T 18655或等效EMC标准，不干扰飞控/遥控器/导航信号 | P0 | 2个月 |
| ESC-C-002 | RoHS合规 | 电调使用的元器件和焊料应符合GB/T 26572有害物质限制要求 | P1 | — |
| ESC-C-003 | 可靠性标准 | 电调应通过振动测试（参考IEC 60068-2-6）、温度循环测试（参考IEC 60068-2-14），满足农业无人机使用寿命要求 | P0 | 1~2个月 |
7. 接口需求
| 接口编号 | 对端子系统 | 接口类型 | 通信协议 | 详细定义文档 |
|---|---|---|---|---|
| ESC-I-001 | 飞控系统（FC） | CAN 2.0B总线（有线） | 自定义CAN协议 | ICD-01-V0.1 |
| ESC-I-002 | 动力电池（PS） | 电源输入线缆 | 直流供电（42~58.8V） | ICD-08-V0.1 |
| ESC-I-003 | 无刷电机 | 三相动力线 | 三相PWM驱动 | 电机规格书 |
8. 约束与假设
8.1 设计约束
- 硬件约束：电调硬件已开发完成，当前为测试阶段。硬件变更（如更换MOSFET型号、修改PCB布局）需走变更评审流程。
- 软件约束：电调固件应与飞控CAN协议版本保持一致，协议变更需双方同步更新。
- 成本约束：单个ESC BOM成本应控制在合理范围（具体目标待与硬件团队确认）。
- 重量约束：单个ESC重量≤80g，V1共4个ESC总重≤320g（V2扩展为8个≤640g），以配合整机重量约束。
- 电机匹配：ESC参数应与选定电机匹配（KV值60 r/min/V，额定功率2600W，参考T100手册p29）。
8.2 假设条件
- 假设飞控侧CAN协议已定义完成（见ICD-01），电调固件按协议实现即可。
- 假设电池组提供稳定的直流供电（标称52.5V/52.78V），电压波动在ESC输入范围内。
- 假设电机为外转子三相无刷直流电机，与ESC驱动方式兼容。
- 假设ESC安装位置紧邻电机（机臂末端），线缆长度≤30cm。
9. 验收标准
9.1 种子用户版（V1.0，10月交付）必须通过项
| 测试项 | 通过标准 | 对应需求编号 |
|---|---|---|
| 转速响应 | 0→满转≤200ms，空载/满载均测试 | ESC-P-001 |
| 转速精度 | 稳态转速误差≤±2% | ESC-P-002 |
| 连续负载 | 60A连续运行30分钟，MOS温度≤125°C | ESC-F-004/009, ESC-P-005 |
| 过流保护 | 过流时≤1ms限流/切断，ESC不损坏 | ESC-F-030, ESC-S-001 |
| 过温保护 | 温度超限后正确降额/切断 | ESC-F-031, ESC-S-002 |
| 堵转保护 | 堵转检测后正确切断输出 | ESC-F-032, ESC-S-003 |
| 紧急停机 | 接收急停指令后≤10ms停止输出 | ESC-F-034, ESC-P-008 |
| CAN通信 | 4个ESC同时在线，指令/回报正常 | ESC-F-010~012, ESC-F-027~029 |
| 故障码上报 | 各类故障均能正确上报故障码 | ESC-F-029/035 |
| 上电安全 | 上电后电机保持停止 | ESC-S-006 |
| 通信丢失保护 | 指令超时后转速下降至停止 | ESC-S-007 |
| 防护测试 | 通过IP56防水防尘测试 | ESC-F-015/016 |
9.2 应当通过项
| 测试项 | 通过标准 | 对应需求编号 |
|---|---|---|
| 转换效率 | 满载作业工况效率≥90% | ESC-P-003 |
| 固件升级 | CAN Bootloader升级成功，断电恢复正常 | ESC-F-036/037 |
| EMC测试 | 电磁辐射满足标准限值 | ESC-C-001 |
| 低温启动 | -10°C环境下正常启动和运行 | ESC-P-004 |
| 静音运行 | PWM频率≥24kHz，无可闻噪声 | ESC-P-009 |
9.3 可延后项
| 测试项 | 计划版本 | 对应需求编号 |
|---|---|---|
| 电机参数自动识别 | V1.5 | ESC-F-023 |
| 批量固件升级 | V1.5 | ESC-F-038 |
| MTBF加速寿命测试 | V1.5 | ESC-P-010 |
10. 待决事项 (TBD)
| 编号 | 事项描述 | 责任人 | 期望决定日期 | 影响范围 |
|---|---|---|---|---|
| TBD-ESC-001 | ESC实际额定/峰值电流值需通过负载测试确认与本文档目标值的对齐情况 | 电调工程师 | 2025-05 | ESC-F-004/005 |
| TBD-ESC-002 | ESC通信丢失保护的超时阈值需与飞控团队协商确定 | 电调/飞控工程师 | 2025-05 | ESC-S-007, ICD-01 |
| TBD-ESC-003 | 堵转保护的检测时间阈值需确定 | 电调工程师 | 2025-05 | ESC-F-032 |
| TBD-ESC-004 | CAN Bootloader固件升级功能的实现进度确认 | 电调工程师 | 2025-06 | ESC-F-036~038 |
| TBD-ESC-005 | 方波降级驱动模式是否需要在V1.0实现 | 电调/飞控工程师 | 2025-05 | ESC-F-021 |
| TBD-ESC-006 | 单个ESC BOM成本目标待确认 | 硬件/采购 | 2025-05 | 8.1设计约束 |
| TBD-ESC-007 | 电机具体型号及规格书需提供（用于对齐ESC参数） | 电机供应商/硬件 | 2025-05 | ESC-F-004~006 |
附录
附录A：需求追溯矩阵
| 子系统需求编号 | 系统级需求来源 | 验证方式 | 验证状态 |
|---|---|---|---|
| ESC-F-001~003 | 机型架构（V1四旋翼） | 硬件检查 | 未验证 |
| ESC-F-004~006 | T100手册p29（电机2600W） | 负载测试 | 未验证 |
| ESC-F-010~012 | ICD-01 | CAN通信测试 | 未验证 |
| ESC-F-020~026 | 飞控控制环要求 | 驱动/响应测试 | 未验证 |
| ESC-F-027~029 | ICD-01, 飞控状态监测需求 | 数据回报验证 | 未验证 |
| ESC-F-030~035 | 安全保护要求 | 故障注入测试 | 未验证 |
| ESC-F-036~038 | 维护需求 | 固件升级测试 | 未验证 |
| ESC-S-001~007 | SYS-S-002/003（电机失效降级） | 安全测试 | 未验证 |
| ESC-C-001~003 | SYS-C-010/013 | 认证测试 | 未验证 |
附录B：T100动力系统参考参数
| 参数 | T100数值 | 来源 |
|---|---|---|
| 电机KV值 | 60 (r/min)/V | T100手册p29 |
| 电机额定功率 | 2600 W | T100手册p29 |
| 旋翼数量 | 8 | T100手册p29 |
| 螺旋桨材质 | 碳纤复材 | T100手册p29 |
| 旋翼直径 | 1575 mm | T100手册p29 |
| 电池标称电压 | 52.78V (DB2160) / 52.5V (DB2212) | T100手册p65 |
| 电池容量 | 41000 mAh | T100手册p65 |