ما هو متحكم السرعة الإلكتروني وكيف يعمل؟

بقلم  لورين ناجل وتشارلز بلوان

وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) هي جزء أساسي من أجهزة نظام الدفع الكهربائي. وهي تعمل كعقل النظام من خلال إخبار المحرك بالسرعة التي يجب أن يتحرك بها بناءً على إشارات البيانات التي تتلقاها من وحدة التحكم في الطيران.

في التطبيقات الأصغر مثل الطائرات المسيّرة ومركبات التحكم عن بعد، يُطلق على هذا المتحكم اسم «ESC»، بينما قد يُطلق عليه في تطبيقات التصنيع الأكبر وحدة تحكم إلكترونية أو عاكسًا أو متحكمًا في المحرك.

الشكل 1: ESC من طراز Afro Race بقدرة 20 أمبير

إن الآلية داخل ESC وتفاعلها مع البطارية والمحرك مثيرة للاهتمام للغاية. سنتناول في هذا المقال الأساسيات المتعلقة بكيفية عمل وحدات ESC، والبروتوكولات التي تستخدمها، وكيفية استخدامها للتحكم في المحركات عديمة الفُرَش والطائرات المسيّرة.

جدول المحتويات

1. كيف تعمل وحدة ESC
2. مكونات ESC: المتحكم الدقيق (MCU)، ومحرك البوابة، وترانزستورات MOSFET، ودارة إلغاء البطارية (BEC)، ومحول إدارة الأجهزة (DMA)
3. ما هو PWM
4. تردد التحكم مقابل تردد تبديل MOSFET
5. بروتوكولات ESC
6. ناقل CAN لوحدات ESC
7. وحدة ESC للمحركات عديمة الفُرَش
   
8. وحدة ESC للطائرات المسيّرة + كيفية اختيار وحدة ESC

كيف تعمل وحدة ESC

دور وحدة ESC هو العمل كوسيط منظم بين البطارية والمحرك الكهربائي. فهي تتحكم في دوران المحرك من خلال إرسال إشارات كهربائية موقوتة تُترجم إلى تغييرات في السرعة. وتستخدم التيار المباشر من البطارية مقترنًا بنظام مفاتيح للحصول على تيار متردد ثلاثي الأطوار يُرسل إلى المحرك.

تُستخدم وحدة التحكم في طيران المركبة لتغيير سرعة المحرك، سواء كانت سيارة كهربائية أو طائرة أو طائرة مسيّرة. يؤدي زيادة عزم الدفع إلى زيادة طاقة الإخراج، مما يغير المعدل الذي تُفتح فيه المفاتيح وتُغلق في دارة ESC.

الشكل 2: تتواصل وحدة التحكم مع مستقبل عزم الدفع الموجود على متن الطائرة المسيّرة

هناك عدة بروتوكولات لتوصيل الإشارات تُستخدم لنقل معلومات عزم الدفع من جهاز التحكم عن بعد إلى وحدة ESC. لكل بروتوكول أداء مختلف قليلًا، وأكثرها شيوعًا هي PWM وOneshot وMultishot وDshot. 

أهم اختلاف بينها هو تردد الإشارات التي ترسلها. تسمح الترددات الأقصر بإشارة أسرع ووقت استجابة أسرع للطائرة المسيّرة. علاوة على ذلك، يختلف بروتوكول Dshot عن غيره لأنه يرسل إشارة رقمية بدلًا من إشارة تماثلية. وهذا يجعل الإشارة أكثر موثوقية لأنها أقل حساسية للضوضاء الكهربائية وأكثر دقة بفضل دقتها العالية. سنتناول هذا بمزيد من التفصيل لاحقًا في هذا المقال.

تصفح أداء اختبار ESC من خلال قاعدة بيانات أداء ESC الخاصة بنا

مكونات ESC

داخل وحدة ESC، هناك عدد من المكونات المهمة، بما في ذلك المتحكم الدقيق ومحرك البوابة وترانزستورات MOSFET (الشكل 3)، بالإضافة إلى دارة إلغاء البطارية ومحول إدارة الأجهزة في بعض الحالات.

 الشكل 3: المكونات الرئيسية لوحدة ESC

المتحكم الدقيق (MCU)

يلعب المتحكم الدقيق ثلاثة أدوار رئيسية في تشغيل وحدة ESC: 1) احتواء البرامج الثابتة التي تفسر الإشارة من وحدة التحكم وتغذيها في حلقة تحكم، 2) تتبع موضع المحرك لضمان تسارع سلس، 3) إرسال نبضات إلى محرك البوابة لتحقيق الأمر المطلوب

غالبًا ما يتم تثبيت البرامج الثابتة المستخدمة في وحدات ESC مسبقًا من قبل الشركة المصنعة، ولكن يمكن أيضًا الحصول على إصدارات مفتوحة المصدر من مصادر خارجية. في الطائرات المسيّرة للهواة، تكون البرامج الثابتة المثبتة مسبقًا عمومًا نسخة من BLHeli (إما BLHeli_S أو BLHeli_32)، على الرغم من أن برامج أخرى مثل SimonK وKISS متاحة أيضًا. يجب أن يكون البرنامج الثابت المختار متوافقًا مع الأجهزة لأنه سيحدد أداء وحدات ESC والبروتوكولات التي يمكن استخدامها.

يحدد المتحكم الدقيق أيضًا موضع المحرك من خلال نظام مزود بحساسات أو بدون حساسات. تستخدم الأنظمة المزودة بحساسات حساسات إلكترونية في المحرك لتتبع موضع الدوّار، وهو أمر رائع للتطبيقات ذات السرعة المنخفضة وعزم الدوران العالي مثل المركبات الأرضية. تستخدم الأنظمة الأكثر شعبية بدون حساسات القوة الدافعة الكهربائية العكسية لتحديد موقع الدوّار بالنسبة للعضو الثابت. يعمل هذا بشكل رائع عند السرعات العالية، على الرغم من أن المحرك عندما يدور بسرعات أقل مع قوة دافعة كهربائية عكسية أقل، فإن النظام بدون حساسات لا يعمل بنفس الكفاءة. هذا عمومًا ليس مشكلة عند تشغيل مروحة. بشكل عام، بالنسبة للتطبيقات عالية السرعة، فإن النظام بدون حساسات أكثر كفاءة وأرخص وأكثر موثوقية.

محرك البوابة

مهمة محرك البوابة هي العمل كوسيط بين وحدة التحكم وبوابة ترانزستورات MOSFET. عند تلقي إشارة منخفضة الجهد من المتحكم الدقيق، يقوم محرك البوابة بتضخيم الإشارة وإرسال إشارة عالية الجهد إلى ترانزستورات MOSFET. يمتلك المحرك مقاومة أقل من المتحكم الدقيق، لذا يمكنه إرسال تيار أعلى، مما يضخم أيضًا سرعة الإشارة. وهذا يسمح بتبديل أسرع وإنتاج حرارة أقل. تحتوي بعض وحدات ESC على شرائح بصرية عازلة بين المتحكم الدقيق منخفض الجهد والترانزستورات عالية الجهد. قد تسمي الشركات المصنعة وحدات ESC هذه بـ Opto-ESCs.

ترانزستور MOSFET

ترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ذات التأثير المجالي أو MOSFET هي المفاتيح التي توصل الطاقة إلى المحرك بشكل استراتيجي. تحتوي وحدة ESC على ستة من هذه الترانزستورات، ويتصل كل سلك من المحرك باثنين منها. تستقبل ترانزستورات MOSFET الإشارات من المتحكم الدقيق ثم توصل الطاقة إلى المحرك بحيث يكون كل ملف من ملفاته في أحد الأطوار الثلاثة: جهد عالٍ، أو جهد منخفض، أو إيقاف/تأريض

بينما يدور المحرك، تقوم الإشارات من ترانزستورات MOSFET بتبديل أطوار الملفات حتى يستمر الدوّار في الدوران. تستخدم وحدة ESC التيار المباشر مقترنًا بنظام المفاتيح للحصول على تيار متردد ثلاثي الأطوار بالتناوب (الشكل 4). كلما زاد إدخال عزم الدفع، زاد تردد التبديل، مما يؤدي إلى ارتفاع عدد الدورات في الدقيقة في المحرك. هناك عدة بروتوكولات لتوصيل الإشارات تتحكم في هذه العملية، لكل منها أداء وتردد إشارة مختلف.

الشكل 4: فتح وإغلاق المفاتيح في دارة ESC

دارة إلغاء البطارية

غالبًا ما تحتوي وحدات ESC على دارة إلغاء بطارية (BEC) مدمجة، والتي لا تلغي الحاجة إلى بطارية، ولكنها تعمل كمنظم جهد لإلغاء الحاجة إلى بطارية منفصلة للإلكترونيات الموجودة على متن المركبة. يتم خفض الطاقة المارة عبر BEC إلى جهد أقل، عادةً 5 فولت، والذي يزود مستقبل عزم الدفع وأي أجهزة أخرى على متن المركبة بالطاقة بأمان (الشكل 5).

الشكل 5: أسلاك نظام الدفع الكهربائي بما في ذلك وحدة ESC وBEC

محول إدارة الأجهزة (DMA)،  المبرمج، أداة التكوين، صناديق البرمجة

يسمح المبرمج للمستخدم بتوصيل وحدة ESC الخاصة به بجهاز الكمبيوتر الخاص به لتنزيل تحديثات البرامج الثابتة واستخدام خيارات البرمجة المتقدمة لتخصيص جهازه. وهذا يبقي وحدة ESC محدثة ويسمح بالتحكم في الإعدادات المتقدمة مثل قطع الجهد، ووضع معايرة عزم الدفع، واتجاه المحرك. 

هذا المكون خاص بالشركة المصنعة عمومًا وغير متاح لجميع وحدات ESC.

الشكل 6: DMA من KDE Direct متوافق مع وحدات UAS ESC الخاصة بهم

ما هو PWM

كان تعديل عرض النبضة (PWM) هو أول بروتوكول لـ ESC ولا يزال مستخدمًا حتى يومنا هذا. يستخدم PWM نبضات طاقة موقوتة لإخبار المحرك بالسرعة التي يجب أن يدور بها، بناءً على الإدخال من وحدة التحكم في الطيران. يرسل متحكم عزم الدفع إشارة إلى المتحكم الدقيق لوحدة ESC والتي تخبره بكمية الجهد التي يجب سحبها من البطارية وإرسالها إلى الدوّار.

يتم إرسال الإشارة على شكل نبضات، والتي يحدد عرضها المدة التي يتم فيها سحب الجهد. يتم فصل نبضات الجهد («تشغيل») بفترات «إيقاف» حيث لا يتم إرسال أي جهد. كلما زادت نسبة وقت «التشغيل» إلى وقت «الإيقاف»، زادت الطاقة المرسلة وسيدور الدوّار بشكل أسرع. يُطلق على نسبة وقت «التشغيل» إلى وقت «الإيقاف» أيضًا دورة التشغيل.

في نظام PWM، يتراوح طول النبضات من ~1000μs إلى ~2000μs. في الأصل، كانت النبضات تُرسل كل 50ms، ولكن هذا قد زاد بمرور الوقت، لذا يتم إرسال الإشارة كل 2.04 ms (490Hz). إذا كان التردد 500 Hz، فقد تكون الإشارة 100% «تشغيل»، والتي سيتم اكتشافها كخطأ.

يأخذ محرك البوابة الجهد من المتحكم الدقيق ويرسله إلى ترانزستورات MOSFET، حيث يقوم بتشغيلها للتبديل بين أطوارها الثلاثة. كلما زاد الجهد الواصل إلى ترانزستورات MOSFET، زادت سرعة تبديلها للأطوار، وزادت سرعة دوران الدوّار.

إذا قمت برسم الوقت على المحور السيني والجهد على المحور الصادي، يمكنك رؤية كيف يتم التحكم في «عرض النبضة» أو تعديله في هذا النظام (الشكل 7). 

الشكل 7: طول النبضة بالملي ثانية عند الحد الأدنى والأقصى لعزم الدفع

تردد التحكم مقابل تردد تبديل MOSFET

عند مناقشة أداء ESC، من المهم التمييز بين معدلين مختلفين يؤثران على كيفية تشغيل المحرك: تردد التحكم وتردد تبديل MOSFET.

تردد التحكم (معدل PWM)

يشير تردد التحكم إلى عدد مرات إرسال وحدة التحكم في الطيران أوامر عزم الدفع إلى وحدة ESC. في الأنظمة القائمة على PWM، يترجم هذا إلى المعدل الذي يتم فيه إرسال نبضات الجهد إلى المتحكم الدقيق لوحدة ESC. اعتمادًا على البروتوكول، يمكن أن يتراوح هذا من 50 Hz في الأنظمة الأقدم إلى 490 Hz أو أكثر في البروتوكولات التماثلية الحديثة.
يسمح تردد التحكم الأعلى لوحدة ESC بتلقي تحديثات أكثر تكرارًا، مما يمكن أن يحسن استجابة عزم الدفع ويقلل زمن الوصول في النظام.

تردد تبديل MOSFET

يشير تردد التبديل إلى عدد مرات تشغيل وإيقاف ترانزستورات MOSFET لوحدة ESC لتوليد إشارة التيار المتردد ثلاثية الأطوار المستخدمة لتدوير المحرك. يحدث هذا التبديل الداخلي بمعدل أسرع بكثير من تردد التحكم—عادةً بين 8 kHz و50 kHz—ويتم إدارته بواسطة المتحكم الدقيق ومحركات البوابة لوحدة ESC.
تساعد ترددات التبديل الأعلى على إنتاج شكل موجة تيار أكثر سلاسة، مما يقلل ضوضاء المحرك ويحسن الكفاءة، خاصة عند عزم الدفع المنخفض. يمكن أن تقلل الكفاءة عند عزم الدفع الأعلى لأن ترانزستورات MOSFET تنتج حرارة في كل مرة تقوم فيها بالتبديل.

ببساطة:

تخبر وحدة التحكم في الطيران وحدة ESC بما يجب فعله عند تردد التحكم. ثم تخبر وحدة ESC ترانزستورات MOSFET بكيفية القيام بذلك عند تردد التبديل.

بروتوكولات ESC

بروتوكول ESC هو أساسًا اللغة التي تستخدمها وحدات التحكم في الطيران للتواصل مع وحدة ESC. إنهم يستخدمون أنماط إشارة فريدة كوسيلة لنقل معلومات عزم الدفع مع تغيير سرعة الإشارة لتغيير سرعة دوران المحرك.

بروتوكولات ESC الشائعة

قبل عام 2015، كان PWM هو بروتوكول ESC الوحيد المستخدم تجاريًا بواسطة الطائرات المسيّرة الصغيرة. منذ ذلك الحين، تم إنشاء عدة بروتوكولات جديدة ومن الشائع أن تدعم الأجهزة المطورة بعد عام 2017 جميعها أو معظمها.

تشمل البروتوكولات الأكثر استخدامًا Oneshot125 وOneshot42 وMultishot وDshot300 وDshot600 وDshot1200. تستخدم بروتوكولات Oneshot وMultishot إشارات تماثلية مثل PWM، بينما يستخدم Dshot (Digital shot) إشارة رقمية.

تتطلب البروتوكولات التماثلية معايرة لضمان مزامنة المذبذبات (الساعات) في وحدة التحكم في الطيران ووحدة ESC، بينما لا تتطلب البروتوكولات الرقمية هذه الخطوة. بدون هذه المعايرة، قد لا تستجيب طائرتك المسيّرة كما هو متوقع بسبب سوء تفسير وحدة ESC لطول الإشارات. 

DShot

Dshot1200 هو أسرع بروتوكول، حيث يرسل 1,200,000 بت من البيانات في الثانية. يمتلك Dshot1200 طول إشارة ثابتًا يبلغ 13 μs فقط، وهو أسرع بمقدار الضعف تقريبًا من Multishot، أسرع بروتوكول تالي، مع طول إشارة 25 μs (الشكل 8). على الرغم من أن Dshot1200 سريع بشكل مذهل، إلا أن البعض يقول إن الفرق بين Dshot600 وDshot1200 ضئيل في الممارسة العملية.

DShot ثنائي الاتجاه

DShot ثنائي الاتجاه هو تحديث رئيسي حديث لبروتوكول DShot، مما يتيح اتصالًا ثنائي الاتجاه بين وحدة التحكم في الطيران ووحدة ESC. مع هذا البروتوكول، لا تنقل وحدة التحكم في الطيران البيانات إلى وحدة ESC فحسب، بل يمكن لوحدة ESC أيضًا إرسال إشارات مرة أخرى إلى وحدة التحكم.

يتم إرسال بيانات التتبع عن بعد، مثل عدد دورات المحرك في الدقيقة، في هذه الإشارات العائدة. بدلًا من توصيل حساسات إضافية بأسلاكها الخاصة، فإن القدرة ثنائية الاتجاه ممكنة باستخدام نفس سلك الإشارة.

يمكن لذلك Dshot ثنائي الاتجاه تحسين أداء الطائرة المسيّرة.

إليك كيف:

1. تحسين تصفية عدد الدورات في الدقيقة: عندما تتلقى وحدة التحكم بيانات RPM حقيقية من المحركات، يمكنها استخدام هذه المعلومات لتحسين مرشحات النطاق الضيق على بيانات الجيروسكوب: الميلان والالتفاف والدوران. على عكس مرشحات التمرير المنخفض، تقوم مرشحات النطاق الضيق بإزالة ترددات محددة فقط، بدلًا من جميع الترددات فوق حد مسبق ضبطه.

2. تقليل تأخير الإشارة: تقليل عدد الترددات المصفاة يقلل من وقت المعالجة المطلوب، مما يؤدي إلى إرسال أسرع للإشارة ووقت استجابة أفضل.

3. تحسين أداء المحرك: تقليل كمية التصفية المطلوبة من قبل وحدة التحكم يقلل من المقاومة في النظام، مما يتيح تشغيلًا أكثر برودة وسلاسة. إزالة الضوضاء يمكن أيضًا تقليل الاهتزاز، مما يحسن الاستقرار والأداء العام.

لمزيد من المعلومات حول كيفية تأثير الاهتزاز على أداء الطائرات المسيّرة، تحقق من مقالنا عن الاهتزاز في الطائرات المسيّرة.

الشكل 8: طول الإشارة للبروتوكولات الشائعة بالميكروثانية

زمن الوصول الأقل يعني استجابة أسرع للمركبة، ولكن هناك عوائد متناقصة، خاصة للهياكل الأكبر حجمًا، بسبب القصور الذاتي للطائرة الرباعية والمراوح. وحدة التحكم في الطيران العدوانية تستهلك أيضًا طاقة أكبر بكثير، لذا لا يُنصح باستخدامها إذا كانت المركبة لا تتطلب ذلك.

Proshot

Proshot هو بروتوكول فريد يحتوي على عناصر من الإشارات الرقمية والتناظرية. يقوم هذا البروتوكول بتشفير إشارة DShot في نبضات PWM - كل نبضة تحتوي على 4 بت من البيانات. هذا التشفير يعني أنه يمكنك وضع 16 بت من البيانات في 4 نبضات PWM فقط. على غرار DShot، لا يلزم معايرة ESC عند استخدام Proshot.

Proshot1000 يرسل 1,000,000 بت من البيانات في الثانية، وهو أقل قليلًا من أسرع بروتوكول DShot. هناك جدل حول أي بروتوكول له استخدام أعلى للمعالج في الممارسة العملية، ولا يوجد بعد إجابة شاملة.

منذ عام 2018، كانت هناك وحدات ESC في السوق يمكنها دعم Proshot من خلال برنامج BLHeli_32 الثابت.

CAN لوحدات ESC

طُوِّر ناقل شبكة وحدة التحكم (CAN) في الأصل لتمكين تعدد الإرسال في السيارات، مما يقلل من تكلفة تعقيد الأسلاك. يضمن النظام تلقي كل جهاز في الشبكة الرسائل المخصصة له، مع استخدام التحكيم لتحديد أولويات الاتصالات الأكثر أهمية. يُستخدم النظام في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الأتمتة الصناعية والمعدات الطبية والطابعات ثلاثية الأبعاد وغيرها.

تتطلب الطائرات المسيّرة، مثل السيارات، اتصالًا موثوقًا وفعالًا بين المكونات مثل وحدات التحكم في الطيران ووحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) ووحدات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وأجهزة الاستشعار. ويُعد CAN خيارًا قويًا لمثل هذه التطبيقات بفضل مرونته ودعمه لتبادل البيانات في الوقت الفعلي ومناعته للضوضاء. ومع ذلك، بينما يوفر CAN طبقة النقل، فإنه لا يحدد كيفية تفسير الأجهزة للبيانات المرسلة. وهنا يأتي دور بروتوكولات الاتصال ذات المستويات الأعلى.

Cyphal (المعروف سابقًا باسم UAVCAN) هو أحد هذه البروتوكولات المصممة خصيصًا للأنظمة الموزعة عالية الموثوقية مثل الطائرات المسيّرة غير المأهولة والروبوتات. يعمل Cyphal فوق Ethernet أو CAN أو CAN FD (معدل البيانات المرن)، ويحدد بنية الرسائل ودلالاتها المتبادلة بين الأجهزة. وقد صُمم لدعم الاتصال منخفض زمن الوصول، وتسهيل التوافقية التشغيلية بين المكونات من الشركات المصنّعة المختلفة، وتمكين إرسال بيانات القياس عن بُعد إلى جانب أوامر التحكم.

على عكس البروتوكولات الأقدم مثل PWM وDShot، التي تتطلب سلك إشارة منفصلًا لكل وحدة ESC، يتيح Cyphal لوحدات ESC متعددة الاتصال عبر نفس الشبكة المكونة من سلكين. كما يتيح جمع بيانات قياس عن بُعد إضافية مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة وغيرها، مع الاستمرار في إرسال أوامر الخانق.

يوضح الرسم التخطيطي أدناه كيفية توصيل تكامل Cyphal-ESC في طائرة مسيّرة رباعية المراوح.

الشكل 9: تكامل Cyphal مع وحدات ESC (المصدر)

في الشكل 9، تتحكم وحدة PX4 في كل من أوامر الطيران وبيانات أجهزة الاستشعار. ترتبط وحدات ESC الأربع بناقل CAN، مما يلغي الحاجة إلى أسلاك إشارة منفصلة. تدير كل وحدة ESC محركًا واحدًا من نوع بدون فرش، وتتلقى أوامر الخانق من PX4 وتعيد بيانات القياس عن بُعد المهمة.

تتشارك وحدات ESC ووحدة GNSS (نظام GPS) نفس ناقل CAN. يرسل CAN 1 أوامر الخانق من وحدة التحكم في الطيران إلى وحدات ESC، مما يحدد المعدل الذي ستدور به محركات الطائرة المسيّرة. يرسل CAN 2 بيانات موقع GPS إلى وحدة التحكم في الطيران، مما يسمح للطائرة المسيّرة بتغيير مسار طيرانها ذاتيًا. إذا تعطلت وحدة GPS على CAN 2، تستمر وحدات ESC على CAN 1 في العمل بشكل طبيعي، مما يوفر طيرانًا دون انقطاع.

Cyphal أيضًا بروتوكول رقمي يكون لكل رسالة مرسلة معرف فريد، ويمكن تعيينه بعدة طرق: قد يحدد البروتوكول نفسه هذه المعرفات، أو يمكن للمستخدم إدخالها يدويًا، أو قد تكون مثبتة مسبقًا من الشركة المصنّعة. تكون الأولوية أعلى لأرقام المعرفات الأقل، لذا تأخذ الإشارات المهمة مثل الخانق من وحدة ESC الصدارة على البيانات الأقل أهمية مثل تحديثات موقع GNSS.

إذا أرسلت كل من وحدة ESC ووحدة GNSS رسائل في نفس الوقت، فإن معرف وحدة ESC ذي الأولوية الأعلى يضمن إرسال أمرها أولًا، وستنتظر رسالة GNSS. بهذه الطريقة، تظل الطائرة المسيّرة مستجيبة حتى عند إرسال بيانات غير مهمة.

تشمل وحدات ESC الشهيرة التي تدعم Cyphal Zubax Myxa، وHolybro Kotleta 20، وKDECAN. 

الشكل 10: جدول مقارنة بروتوكولات وحدات ESC وميزاتها

 

وحدة ESC للمحركات التيار المباشر بدون فرش

كما تعلمنا، دور وحدة ESC هو توصيل الطاقة من البطارية إلى المحرك بطريقة محكومة. إذا أدخلت 50% من الخانق في وحدة التحكم، فستوفر وحدة ESC 50% من «الطاقة» للمحرك. يعتمد ما هو المقصود بـ «الطاقة» على البرنامج الثابت المستخدم. سيستخدم البعض متوسط الجهد المرسل إلى المحرك، ويستخدم البعض الآخر هدف السرعة، ويستخدم البعض مزيجًا من كليهما.

من جهة، تحتوي وحدة ESC على سلكين للتوصيل بالبطارية، سلك أحمر (موجب) وسلك أسود (سالب) (الشكل 11). وعلى الجهة الأخرى، هناك ثلاثة أسلاك تربط وحدة ESC بالمحرك التيار المباشر بدون فرش. إذا دار المحرك في الاتجاه الخاطئ بعد توصيله بوحدة ESC، فإن تبديل أي سلكين سيجعله يدور في الاتجاه الصحيح. يتصل الموصل النهائي بمستقبل الخانق، والذي يتم تزويده بالطاقة بواسطة BEC.

الشكل 11: وحدة ESC مع توصيلات البطارية (يسارًا)، ومستقبل الخانق (منتصفًا)، وتوصيلات المحرك (يمينًا)

داخل المحرك التيار المباشر بدون فرش يوجد مكونان: الدوار (الذي يحتوي على مغناطيسات دائمة) والعضو الثابت (الذي يحتوي على ملفات نحاسية). عندما يتم توصيل تيار إلى ملف في العضو الثابت، فإنه يصبح مغناطيسًا كهربائيًا ويطور قطبًا شماليًا وجنوبيًا. عندما تتطابق قطبية المغناطيس الكهربائي مع قطبية المغناطيس الدائم الذي يواجهه، تتنافر أقطابهما المتماثلة ويدور الدوار. يتم توصيل التيار بواسطة وحدة ESC كإشارة ثلاثية الأطوار تغير باستمرار قطبية المغناطيسات الكهربائية، وبهذه الطريقة يستمر الدوار في الدوران.

من أجل بدء هذه العملية، تحتاج وحدة ESC إلى معرفة موضع الدوار لتتمكن من اختيار المغناطيسات الكهربائية التي سيتم تنشيطها. لتحديد موضعها في المحركات المزودة بأجهزة استشعار، تستخدم وحدة ESC أجهزة استشعار تأثير هول. تُستخدم هذه المعلومات لمزامنة مخرج الطور بدقة مع زاوية الدوار لضمان تسارع سلس. في المحركات بدون أجهزة استشعار، والتي تُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في الطائرات المسيّرة، تكون عملية البدء أقل قوة قليلًا. سترسل وحدة ESC تسلسلًا محددًا مسبقًا إلى المحرك لجعله يبدأ. بمجرد أن يكتسب المحرك سرعة كافية، ستكون القوة الدافعة الكهربائية العكسية (back EMF) كافية لوحدة ESC للحصول على تقدير دقيق للموضع ومزامنة النبضات.

لمزيد من المعلومات، اطّلع على مقالنا حول كيفية عمل المحركات التيار المباشر بدون فرش

وحدة ESC للطائرات المسيّرة + كيفية اختيار وحدة ESC

يُعد اختيار وحدة ESC جزءًا مهمًا من عملية تصميم الطائرة المسيّرة. تريد التأكد من أنها تلبي الاحتياجات الكهربائية لطائرتك دون استنزاف بطاريتك أكثر من اللازم. فيما يلي بعض العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار وحدة ESC.

تصنيف تيار وحدة ESC

يجب أن يكون تصنيف تيار وحدة ESC أعلى بنسبة 10 - 20% من تصنيف المحرك. سيمنع ذلك ارتفاع حرارتها ويوفر بعض المساحة عند التشغيل بأقصى خانق. لا تريد تجاوز هذا النطاق بكثير لتقليل الوزن. يجب اختبار وحدة ESC في ظروف مشابهة للطيران لأن العائق الرئيسي هو حراري. ستؤدي درجة الحرارة العالية وقلة دوران الهواء إلى تقليل تصنيف وحدة ESC وعمرها التشغيلي. تحتوي بعض وحدات ESC على تصنيفين للتيار: مستمر واندفاعي. التيار المستمر يمكن الحفاظ عليه لفترات طويلة، بينما التيار الاندفاعي لفترات قصيرة فقط. 

جهد وحدة ESC

لديها وحدات ESC حد أقصى للجهد قد يُعطى كنطاق جهد أو نطاق خلايا. على سبيل المثال، وحدة ESC مصنفة لخلايا 3S - 8S ستدعم جهدًا يتراوح بين 11.1 - 33.6 فولت. قد تتيح لك وحدة ESC تعيين جهد إيقاف تشغيل سيحذرك عندما يصبح جهد البطارية منخفضًا جدًا (3.0 - 3.4 فولت لكل خلية) لتجنب إتلاف البطارية. تُسمى هذه الأنظمة بقطع الجهد المنخفض (LVC) وستقلل من أقصى طاقة يمكن أن توفرها وحدة ESC. في النهاية، ستقوم وحدة ESC بإيقاف تشغيل المحرك.

الاعتبارات الحرارية

تعد الإدارة الحرارية المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لضمان أداء موثوق لوحدة ESC. تصنيفات التيار لوحدات ESC ليست موحدة ويمكن أن تختلف بشكل كبير بين الشركات المصنّعة. يعود هذا التباين إلى حد كبير إلى الاختلافات في ظروف الاختبار، ووجود أو عدم وجود مشتت حراري كافٍ، وظروف تدفق الهواء التي من المتوقع أن تعمل فيها وحدة ESC.

في تطبيقات التصميم، يجب على المصممين مراعاة أن درجة حرارة الهواء المحيط والتهوية ستؤثران بشكل مباشر على القدرة الفعلية لوحدة ESC على التعامل مع التيار. يمكن أن يؤدي تدفق الهواء الضعيف أو درجات الحرارة المحيطة العالية إلى زيادة درجة حرارة التشغيل الداخلية، والتي بدورها قد تقلل من تصنيف تيار وحدة ESC، ومع مرور الوقت، تقلل من عمرها الافتراضي. للتخفيف من هذه التحديات، قد يدمج المصممون مشتتات حرارية مخصصة أو استراتيجيات تبريد، مثل تخطيط PCB محسن وتبريد الهواء القسري، لضمان تبديد الحرارة بفعالية حتى أثناء فترات السحب العالي للتيار لفترات طويلة.

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يأخذ التصميم الحراري في الاعتبار أسوأ السيناريوهات. يجب تقييم عوامل مثل تدفق الهواء المحدود في الحجرات المغلقة أو التغيرات المفاجئة في الظروف البيئية خلال مرحلة التصميم.

يمكنك اختبار تلك العوامل في ظروف حقيقية باستخدام أجهزة استشعار درجة الحرارة على أجهزة منصة فلايت ستاند وتغيير ظروف التبريد. ستؤدي درجة الحرارة العالية إلى تدهور عمر المكون بشكل كبير. إذا كان لديك إمكانية الوصول إليها، فراجع ورقة البيانات الخاصة بالترانزستورات في وحدة ESC الخاصة بك. غالبًا ما تحتوي على معلومات حول عمر الترانزستور. يتناسب متوسط الوقت حتى الفشل (MTTF) مع e^1/T (حيث T هي درجة الحرارة)، والقاعدة العامة هي أن الزيادة بمقدار 10 درجات مئوية ستقلل من عمر المكون إلى النصف. من خلال خبرتنا، تكون أعطال وحدات ESC أكثر شيوعًا من أعطال المحركات في الطائرات المسيّرة.

اعتبارات الضوضاء

هل كنت تعلم أن الضوضاء التي تسمعها عند تهيئة وحدة ESC تأتي من المحرك؟ تأتي ضوضاء الدفع من المروحة وكذلك من المحرك نفسه. غالبًا ما يكون لوحدات ESC ذات ترددات تبديل منخفضة محركات صاخبة. في بعض الحالات، يمكن أن يكون المحرك أكثر ضوضاء من المروحة. هذا لأن الموجات المربعة الحادة تسبب اهتزاز الملفات في المحرك، بشكل مشابه لمكبر الصوت. 

وحدة ESC 4 في 1 للطائرات رباعية المراوح

عند توصيل وحدات ESC في طائرة رباعية المراوح، يمكنك استخدام وحدة ESC واحدة لكل محرك أو استخدام وحدة ESC 4 في 1 بلوحة واحدة وأربعة موصلات للمحركات (الشكل 10). يمكن أن يساعد وجود أربع وحدات ESC في توزيع حمل الحرارة إذا كانت المحركات ذات سحب طاقة عالٍ، بينما وحدة ESC 4 في 1 هي خيار رائع لتوفير المساحة والحد من وزن الأجهزة.

الشكل 12: وحدة ESC 4 في 1 من iFlight

الخلاصة

في هذا المقال غطينا أساسيات وحدة ESC: كيفية عملها، المكونات الرئيسية، البروتوكولات، وكيفية عملها مع ناقل CAN، المحركات التيار المباشر بدون فرش، والطائرات المسيّرة. يمكن أن يساعدك الفهم الجيد لهذا المكون الأساسي للطائرة المسيّرة في تحسين معرفتك وبناءك.

لمزيد من المعلومات حول تحسين طائرتك المسيّرة، اطّلع على كتابنا الإلكتروني المجاني حول بناء وتحسين الطائرات المسيّرة.

إذا كانت لديك أي أسئلة، فلا تتردد في ترك تعليق لنا أدناه.