Автори: Lauren Nagel та Charles Blouin
Електронний регулятор обертів (ESC) — необхідний компонент електричної силової установки. Він отримує команди польотного контролера та визначає швидкість двигуна.
У дронах і RC-моделях його називають ESC, а у великих промислових системах — електронним блоком керування, інвертором або контролером двигуна.
Рисунок 1. ESC Afro Race Spec 20A
Розглянемо внутрішній механізм ESC, взаємодію з акумулятором і двигуном, протоколи та використання в безколекторних двигунах і дронах.
Зміст
- Як працює ESC
- Компоненти: мікроконтролер MCU, драйвер затворів, MOSFET, BEC та адаптер DMA
- Що таке ШІМ
- Частота команд і частота перемикання MOSFET
- Протоколи ESC
- Шина CAN
- ESC для безколекторних двигунів
- ESC для дронів та його вибір
Як працює ESC
ESC регулює передавання енергії від акумулятора до двигуна. Своєчасні електричні сигнали змінюють оберти. Система ключів перетворює постійний струм акумулятора на трифазний змінний для двигуна.
Контролер автомобіля, літака чи дрона задає швидкість. Збільшення газу підвищує вихідну потужність і змінює керування ключами ESC.
Рисунок 2. Зв’язок пульта з бортовим приймачем газу
Для передавання газу використовують PWM, Oneshot, Multishot і Dshot. Кожен має свої характеристики.
Вони відрізняються часовими параметрами: коротший сигнал дає швидшу реакцію. Dshot цифровий, а не аналоговий, тому менш чутливий до завад і має вищу роздільну здатність. Докладніше — нижче.
Перегляньте результати випробувань у нашій базі характеристик ESC
Компоненти ESC
Основні компоненти — MCU, драйвер затворів і MOSFET (рисунок 3); іноді також BEC та адаптер програмування DMA.
Рисунок 3. Основні компоненти ESC
Мікроконтролер (MCU)
MCU зберігає прошивку для обробки команд і циклу керування, визначає положення двигуна для плавного прискорення та надсилає імпульси драйверу затворів.
Виробник зазвичай установлює прошивку, але доступні й відкриті сторонні варіанти. В аматорських дронах поширені BLHeli_S і BLHeli_32, також SimonK та KISS. Прошивка має відповідати обладнанню та визначає протоколи й характеристики.
Положення ротора визначають датчики або зворотна ЕРС. Датчикові системи корисні на малих обертах із великим моментом, наприклад у наземному транспорті. Бездатчикові популярніші: зворотна ЕРС добре визначається на високих обертах, гірше — на малих. Для пропелерів це зазвичай не проблема. На високій швидкості бездатчикові системи дешевші, ефективніші й надійніші.
Драйвер затворів
Драйвер передає сигнал MCU на затвори MOSFET, підсилюючи його напругу й струм. Низький вихідний опір прискорює перемикання та зменшує нагрівання. Деякі ESC мають оптичну ізоляцію між низьковольтною логікою й силовими транзисторами; їх називають Opto-ESC.
MOSFET
Польові транзистори MOSFET працюють силовими ключами. Типовий ESC має шість ключів, по два на фазний провід. Вони керують станами обмоток відповідно до команд MCU.
Послідовна комутація обмоток підтримує обертання. Ключі формують трифазне живлення з постійного струму (рисунок 4). Команда газу визначає потрібний режим і оберти; протоколи передавання команд відрізняються швидкодією.
Рисунок 4. Перемикання ключів ESC
Регулятор живлення BEC
BEC не усуває основний акумулятор, а дозволяє обійтися без окремого акумулятора електроніки. Він знижує напругу, зазвичай до 5 В, для приймача й інших бортових пристроїв (рисунок 5).
Рисунок 5. Підключення силової установки з ESC і BEC
Адаптер керування пристроєм (DMA), програматор і конфігуратор
Програматор підключає ESC до комп’ютера для оновлення прошивки та розширених налаштувань: відсічення напруги, калібрування газу й напрямку двигуна.
Зазвичай він специфічний для виробника й доступний не для всіх ESC.
Рисунок 6. DMA від KDE Direct для їхніх ESC БПЛА
Що таке ШІМ
Широтно-імпульсна модуляція (PWM, ШІМ) — один із перших протоколів команд ESC, який використовують досі. Ширина імпульсу кодує команду газу від польотного контролера до MCU.
У силовій ШІМ тривалість увімкненого стану відносно періоду визначає середнє живлення. Більший коефіцієнт заповнення передає більше потужності та збільшує оберти.
У традиційному командному PWM ширина імпульсу становить приблизно 1000–2000 мкс. Стандартна частота 50 Гц відповідає періоду 20 мс; швидші варіанти передають сигнал кожні 2,04 мс (490 Гц). На 500 Гц максимальний імпульс може зайняти весь період, що визначається як помилка.
Драйвер затворів керує силовими MOSFET за командами MCU, які формують потрібні фази живлення двигуна.
Графік напруги від часу показує зміну ширини імпульсу (рисунок 7).
Рисунок 7. Тривалість імпульсу при мінімальному й максимальному газі
Частота команд і частота перемикання MOSFET
Це дві різні частоти, які впливають на роботу двигуна.
Частота команд (PWM Rate)
Це частота надсилання команд газу від польотного контролера до ESC. Для аналогового PWM вона варіюється від 50 Гц у старих системах до 490 Гц і більше.
Частіші оновлення можуть поліпшити реакцію на газ і зменшити затримку.
Частота перемикання MOSFET
Силові транзистори перемикаються значно швидше — зазвичай 8–50 кГц — для формування струму двигуна. Цим керують MCU та драйвери затворів.
Вища частота згладжує струм, зменшує шум і може підвищувати ККД на малому газі. На високому газі втрати перемикання можуть знижувати ефективність.
Простіше кажучи:
На частоті команд польотний контролер повідомляє ESC, що робити. На частоті перемикання ESC реалізує це силовими ключами.
Протоколи ESC
Протокол — мова зв’язку польотного контролера та ESC. Він визначає формат і часові параметри передавання газу.
Поширені протоколи
До 2015 року в малих БПЛА переважав PWM. Нові протоколи поширилися після цього; обладнання після 2017 року часто підтримує більшість із них.
Поширені Oneshot125, Oneshot42, Multishot, Dshot300, Dshot600 та Dshot1200. Oneshot і Multishot аналогові, Dshot цифровий.
Аналогові протоколи потребують калібрування часових меж між контролером та ESC. Цифровим це не потрібно. Без калібрування ESC може неправильно тлумачити ширину імпульсу.
DShot
Dshot1200 передає 1 200 000 біт/с, сигнал триває близько 13 мкс — майже вдвічі менше за 25 мкс Multishot (рисунок 8). На практиці різниця між Dshot600 та Dshot1200 може бути незначною.
Двонапрямний DShot
Цей варіант забезпечує двосторонній зв’язок: ESC може відповідати польотному контролеру.
Зворотним сигналом передається телеметрія, зокрема оберти, тим самим проводом без окремих датчиків і проводки.
Це може поліпшити роботу дрона.
Переваги:
Точніша фільтрація за обертами: реальні оберти допомагають налаштовувати режекторні фільтри гіроскопа для тангажу, рискання й крену. Вони прибирають окремі частоти, а не весь спектр вище межі, як ФНЧ.
Менша затримка: вужча фільтрація скорочує обчислення та прискорює реакцію.
Краща робота двигуна: менший обсяг фільтрації та шуму сприяє плавній роботі, нижчій температурі й вібрації та вищій стійкості.
Докладніше про вплив вібрації див. у статті Вібрація в дронах.
Рисунок 8. Тривалість сигналів поширених протоколів, мкс
Менша затримка прискорює реакцію, але виграш зменшується через інерцію апарата й пропелерів, особливо великих. Надмірно агресивне керування також збільшує споживання й не завжди потрібне.
Proshot
Proshot поєднує цифрове кодування з PWM: кожен імпульс містить 4 біти, тобто 16 біт передаються чотирма імпульсами. Як Dshot, не потребує калібрування ESC.
Proshot1000 передає 1 000 000 біт/с. Є дискусії щодо порівняння навантаження CPU з Dshot; однозначної відповіді немає.
Із 2018 року доступні ESC із підтримкою Proshot через BLHeli_32.
CAN для ESC
CAN створили для автомобільного мультиплексного зв’язку зі спрощеною проводкою. Адресування й арбітраж забезпечують доставку потрібному пристрою та пріоритет важливих повідомлень. Застосування охоплюють автоматизацію, медтехніку та 3D-принтери.
Дрони також потребують надійного зв’язку контролера, ESC, GNSS і датчиків. CAN стійка до завад і придатна для реального часу, але значення даних визначає протокол вищого рівня.
Cyphal, раніше UAVCAN, призначений для розподілених систем високої надійності. Працює поверх Ethernet, CAN або CAN FD і визначає структуру та значення повідомлень, забезпечуючи низьку затримку, сумісність виробників і телеметрію разом із командами.
На відміну від окремого проводу PWM або Dshot для кожного ESC, Cyphal дає кільком пристроям спільну двопровідну мережу та передає напругу, струм, температуру й газ.
Нижче — схема інтеграції Cyphal та ESC у квадрокоптері.
Рисунок 9. Інтеграція Cyphal та ESC (джерело)
PX4 керує польотом і даними датчиків. Чотири ESC під’єднано до CAN; кожен керує своїм двигуном, приймає газ і повертає телеметрію.
На схемі CAN 1 передає команди до ESC, CAN 2 — координати GNSS до контролера. Якщо GNSS на CAN 2 відмовляє, ESC на CAN 1 продовжують працювати.
Повідомлення мають ідентифікатори, установлені протоколом, користувачем або виробником. Менший ідентифікатор означає вищий пріоритет: критичні команди мають перевагу над менш терміновими оновленнями.
Якщо ESC і GNSS передають одночасно, пріоритетне повідомлення ESC проходить першим, а GNSS очікує. Це зберігає швидкодію керування.
Приклади ESC: Zubax Myxa, Holybro Kotleta 20 та KDECAN.
Рисунок 10. Порівняння протоколів ESC
ESC для безколекторних двигунів
ESC керує передаванням енергії. Команда 50% означає половину керувального діапазону, але конкретне трактування залежить від прошивки: середня напруга, цільові оберти або поєднання.
До акумулятора йдуть червоний (+) і чорний (−) проводи, до двигуна — три фазні. Для зміни напрямку поміняйте місцями будь-які два фазні проводи. Окремий сигнальний кабель під’єднується до приймача, який може живитися через BEC.
Рисунок 11. Підключення акумулятора ліворуч, приймача посередині та двигуна праворуч
Ротор має постійні магніти, статор — котушки. Струм створює електромагнітні полюси, що взаємодіють із магнітами. ESC послідовно комутує три фази, підтримуючи обертання.
Для запуску ESC має визначити положення ротора. Датчиковий двигун використовує датчики Холла для точної синхронізації та плавного прискорення. У поширених на БПЛА бездатчикових системах запуск виконується заданою послідовністю, а після розгону зворотна ЕРС дає точну оцінку положення.
Докладніше див. Як працюють безколекторні двигуни
Вибір ESC для дрона
ESC має відповідати електричним вимогам апарата без зайвих втрат енергії. Основні чинники:
Допустимий струм
Рекомендується запас 10–20% над струмом двигуна для роботи на максимумі без перегрівання, але без зайвої маси. Перевіряйте за умов польоту: температура й охолодження визначають реальну межу. Тривалий рейтинг допускає довгу роботу, піковий — лише коротку.
Напруга ESC
Межу задають у вольтах або кількості елементів, наприклад 3S–8S. Захист низької напруги LVC, часто 3,0–3,4 В на елемент, обмежує потужність і зрештою вимикає двигун для захисту акумулятора.
Тепловий режим
Номінальні струми ESC не стандартизовані та залежать від умов виробника, радіатора й потоку повітря. Правильне теплове проєктування необхідне для надійності.
Висока температура довкілля або слабка вентиляція знижують допустимий струм і ресурс. Допомагають радіатори, відповідне розведення плати та примусове охолодження, особливо за тривалих великих струмів.
Оцініть найгірші умови: закриті відсіки, обмежений потік і різкі зміни довкілля.
Перевірити це можна температурними датчиками обладнання Flight Stand за різного охолодження. Нагрівання суттєво знижує ресурс. Даташити транзисторів часто містять залежності надійності; орієнтовне правило — підвищення на 10 °C скорочує ресурс удвічі. За нашим досвідом ESC відмовляють частіше за двигуни.
Шум
Сигнал запуску ESC видає сам двигун. Низька частота перемикання може робити його шумнішим за пропелер: різкі імпульси змушують котушки вібрувати, як динамік.
ESC 4-в-1 для квадрокоптерів
Можна мати окремий ESC для кожного двигуна або одну плату 4-в-1. Окремі розподіляють тепло потужних систем, а 4-в-1 заощаджує місце й масу.
Рисунок 12. ESC 4-в-1 від iFlight
Висновок
Ми розглянули роботу ESC, компоненти, протоколи, CAN і застосування з BLDC та дронами. Розуміння цього компонента допомагає поліпшувати конструкцію.
Докладніше про оптимізацію — у безкоштовній електронній книзі Побудова та оптимізація дрона.
Залишайте запитання в коментарях.