什么是电子调速器？ESC是如何工作的

作者： Lauren Nagel 和 Charles Blouin

电子调速器（ESC）是电动推进系统硬件的重要组成部分。它就像系统的“大脑”，根据从飞行控制器接收到的数据信号，告诉电机转多快。

对于无人机和遥控车等小型应用，该控制器被称为“ESC”；而在大型制造应用中，它可能被称为电子控制单元、逆变器或电机控制器。

图 1：Afro Race Spec 20A ESC

ESC 内部的工作机制及其与电池和电机的交互方式十分引人入胜。本文将介绍 ESC 工作原理的基础知识、所使用的协议，以及如何利用 ESC 控制无刷电机和无人机。

目录

1. ESC 是如何工作的
2. ESC 组件：微控制器（MCU）、栅极驱动器、MOSFET、电池消除电路（BEC）、设备管理器适配器（DMA）
3. 什么是 PWM
4. 控制频率与 MOSFET 开关频率
5. ESC 协议
6. 用于 ESC 的 CAN 总线
7. 用于无刷电机的 ESC
   
8. 用于无人机的 ESC + 如何选择 ESC

ESC 是如何工作的

ESC 的作用是在电池和电机之间充当调节中介。它通过发送定时电信号来控制电机的转动，这些信号会被转换为速度变化。它利用电池提供的直流电，并结合开关系统，产生交替的三相电流发送至电机。

无论车辆是电动汽车、飞机还是无人机，飞行控制器都用于改变电机的速度。增大油门会增加输出功率，从而改变 ESC 电路中开关的开合速率。

图 2：控制器与无人机机载油门接收器通信

有几种信号传输协议用于将油门信息从遥控器传送到 ESC。每种协议的性能略有不同，最常见的是 PWM、Oneshot、Multishot 和 Dshot。

它们之间最重要的区别是所传输信号的频率。较低的频率可实现更快的信号传输和更短的无人机响应时间。此外，Dshot 协议与其他协议不同，因为它发送的是数字信号而非模拟信号。这使得信号更加可靠，因为它对电噪声不敏感，且凭借更高的分辨率而更加精确。本文稍后将对此进行更详细的介绍。

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ESC 组件

ESC 内部包含若干重要组件，包括微控制器、栅极驱动器和 MOSFET（图 3），在某些情况下还包括电池消除电路和设备管理器适配器。

 图 3：ESC 的关键组件

微控制器（MCU）

微控制器在 ESC 的运行中扮演三个关键角色：1）容纳解释控制器信号并将其输入控制回路的固件；2）跟踪电机位置，以确保平稳加速；3）向栅极驱动器发送脉冲，以实现所需指令

ESC 所使用的固件通常由制造商预装，但也可以从第三方渠道获取开源版本。在消费级无人机中，预装固件通常是 BLHeli 的变体（BLHeli_S 或 BLHeli_32），不过 SimonK 和 KISS 等其他软件也可使用。所选固件必须与硬件兼容，因为它将决定 ESC 的性能以及可以使用哪些协议。

微控制器还通过带传感器或无传感器的系统来确定电机位置。带传感器系统在电机中使用电子传感器来跟踪转子的位置，非常适合地面车辆等低速、高扭矩应用。更受欢迎的无传感器系统利用反电动势来确定转子相对于定子的位置。这种方式在高速下表现出色，但当电机以较低速度转动、反电动势较小时，无传感器系统的效果就不够理想。在驱动螺旋桨时，这通常不是问题。总体而言，对于高速应用，无传感器系统更高效、更便宜且更可靠。

栅极驱动器

栅极驱动器的作用是在控制器与 MOSFET 栅极之间充当中介。在接收到来自微控制器的低电压信号后，栅极驱动器会放大该信号，并向 MOSFET 输送高电压信号。驱动器的电阻低于微控制器，因此可以输送更高电流，同时也能放大信号速度。这使得开关速度更快，产生的热量更少。一些 ESC 在低电压微控制器与高压晶体管之间设有光电隔离芯片。制造商可能会将这些 ESC 称为光电 ESC。

MOSFET

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是按需向电机输送功率的开关。ESC 拥有六个这样的晶体管，电机上的每根导线都连接到其中两个晶体管上。MOSFET 接收来自微控制器的信号，然后向电机输送功率，使电机中的每个线圈都处于三个相位之一：高电压、低电压或断电/接地

随着电机转动，MOSFET 的信号会切换线圈相位，从而保持转子持续旋转。ESC 利用直流电结合开关系统，产生交替的三相电流（图 4）。油门输入越高，开关频率就越快，从而使电机转速更高。有几种信号传输协议来控制这一过程，每种协议的性能和信号频率都不同。

图 4：ESC 电路中开关的开启和关闭

电池消除电路

ESC 通常内置电池消除电路（BEC），它并非消除电池的需求，而是充当电压调节器，从而无需为机载电子设备配备单独的电池。通过 BEC 的功率会被降至较低电压，通常为 5 V，从而安全地为油门接收器及机载的其他设备供电（图 5）。

图 5：包含 ESC 和 BEC 的电动推进系统接线

设备管理器适配器（DMA）、 编程器、配置器、程序盒

编程器允许用户将 ESC 连接到电脑上，以下载固件更新，并使用高级编程选项来自定义设备。这能让 ESC 保持最新，并允许控制电压截止、油门校准模式和电机方向等高级设置。 

该组件通常是特定品牌的，并非所有 ESC 都能使用。

图 6：KDE Direct 的 DMA兼容其 UAS ESC

什么是 PWM

脉冲宽度调制（PWM）是第一种 ESC 协议，至今仍在使用。PWM 利用定时功率脉冲，根据飞行控制器的输入告诉电机转多快。油门控制器向 ESC 的微控制器发送信号，告诉它从电池中抽取多少电压并输送至转子。

信号以脉冲形式传输，脉冲宽度决定了抽取电压的时间长短。电压脉冲（“开启”）之间由不输送电压的“关闭”期间隔开。开启时间与关闭时间的比例越大，输送的功率就越高，转子转得就越快。开启与关闭时间的比例也称为占空比。

在 PWM 系统中，脉冲长度从约 1000μs 到约 2000μs 不等。 最初，每隔 50ms 发送一次脉冲，但随着时间的推移，这一间隔已缩短，因此信号每隔 2.04 ms（490Hz）发送一次。如果频率为 500 Hz，信号可能会达到 100%“开启”，从而被检测为故障。

栅极驱动器获取微控制器的电压并将其输送至 MOSFET，从而驱动它们在三个相位之间切换。到达 MOSFET 的电压越高，它们切换相位的速度就越快，转子转得就越快。

如果将时间放在 x 轴，电压放在 y 轴上，您可以看到该系统是如何控制或调制“脉冲宽度”的（图 7）。 

图 7：最低和最高油门下的脉冲长度（毫秒）

控制频率与 MOSFET 开关频率

在讨论 ESC 性能时，区分影响电机驱动方式的两种不同速率很重要：控制频率和 MOSFET 开关频率。

控制频率（PWM 速率）

控制频率是指飞行控制器向 ESC 发送油门指令的频率。在基于 PWM 的系统中，这相当于电压脉冲输送至 ESC 微控制器的速率。根据协议的不同，在旧系统中可从 50 Hz 开始，在现代模拟协议中可达 490 Hz 或更高。
更高的控制频率允许 ESC 接收更频繁的更新，从而可以提高油门响应速度并减少系统延迟。

MOSFET 开关频率

开关频率是指 ESC 的 MOSFET 开关次数，以产生用于旋转电机的三相交流信号。这种内部开关发生的速率比控制频率快得多——通常在 8 kHz 到 50 kHz 之间——并由 ESC 的微控制器和栅极驱动器管理。
更高的开关频率有助于产生更平滑的电流波形，从而减少电机噪声并提高效率，尤其是在低油门时。由于 MOSFET 每次开关都会产生热量，它们可能会降低高油门下的效率。

简单来说：

飞行控制器在控制频率下告诉 ESC 该做什么。然后 ESC 在开关频率下告诉 MOSFET 如何去做。

ESC 协议

ESC 协议本质上是飞行控制器与 ESC 通信所使用的语言。它们使用独特的信号模式来传输油门信息，同时改变信号速度以改变电机的旋转速度。

常见 ESC 协议

在 2015 年之前，PWM 是小型无人机商业使用的唯一 ESC 协议。自那时起，已创建出几种新协议，2017 年之后开发的硬件通常支持全部或大部分协议。

最常用的协议包括 Oneshot125、Oneshot42、Multishot 以及 Dshot300、Dshot600 和 Dshot1200。Oneshot 和 Multishot 协议使用与 PWM 类似的模拟信号，而 Dshot（数字脉冲）则使用数字信号。

模拟协议需要校准，以确保飞行控制器和 ESC 中的振荡器（时钟）同步，而数字协议则不需要此步骤。如果没有此校准，由于 ESC 误判信号长度，您的无人机可能无法按预期响应。 

DShot

Dshot1200 是最快的协议，每秒传输 1,200,000 位数据。Dshot1200 的信号长度固定仅为 13 μs，几乎是第二快协议 Multishot（信号长度为 25 μs）的两倍快（图 8）。虽然 Dshot1200 速度惊人，但有人认为在实际应用中，Dshot600 和 Dshot1200 之间的差异可以忽略不计。

双向 DShot

双向 DShot 是 DShot 协议最近的一次重大更新，实现了飞行控制器与 ESC 之间的双向通信。通过此协议，飞行控制器不仅可以将数据发送至 ESC，ESC 也可以将信号传回控制器。

遥测数据（如电机的转速）通过这些返回信号传输。双向通信功能无需连接带有各自接线的额外传感器，而是通过同一根信号线即可实现。

因此，双向 Dshot 可以提高无人机的性能。

具体如下：

1. 增强的 RPM 滤波：当控制器接收到来自电机的实际 RPM 数据时，可以使用此信息来优化陀螺仪数据中的陷波滤波器：俯仰、偏航和横滚。与低通滤波器不同，陷波滤波器只消除特定频率，而不是消除所有高于预设限制的频率。

2. 减少信号延迟：限制滤波的频率数量可减少所需处理时间，从而实现更快的信号传输和更好的响应时间。

3. 提升电机性能：减少控制器所需的滤波量可降低系统中的阻力，从而实现更凉爽、更平稳的运行。消除噪声还可以减少振动，从而提高整体稳定性和性能。

有关振动如何影响无人机性能的更多信息，请查看我们的文章 无人机中的振动。

图 8：常见协议的信号长度（微秒）

较低的延迟意味着车辆反应更快，但由于四旋翼无人机和螺旋桨的惯性，收益会逐渐递减，尤其对于大型机身而言。激进的飞行控制器也会消耗更多功率，因此如果车辆不需要，就不建议使用。

Proshot

Proshot 是一种独特的协议，包含数字信号和模拟信号的元素。该协议将 DShot 信号编码到 PWM 脉冲中——每个脉冲包含 4 位数据。这种编码意味着您可以将 16 位数据放入仅 4 个 PWM 脉冲中。与 DShot 类似，使用 Proshot 时不需要进行 ESC 校准。

Proshot1000 每秒传输 1,000,000 位数据，略低于最快的 DShot 协议。目前还没有统一的结论，关于哪种协议在实际应用中占用 CPU 更高仍存在争议。

自 2018 年以来，市场上已出现支持通过 BLHeli_32 固件使用 Proshot 的 ESC。

用于 ESC 的 CAN

控制器局域网（CAN）总线最初开发用于实现汽车中的多路复用，以降低布线的成本和复杂性。该系统确保网络上的每个设备都能接收到发往它的消息，同时利用仲裁机制对最重要的通信进行优先级排序。该系统被广泛应用于各种领域，包括工业自动化、医疗设备、3D打印机等。

无人机与汽车一样，需要飞行控制器、电调（ESC）、GPS模块和传感器等组件之间可靠高效的通信。CAN凭借其鲁棒性、对实时数据交换的支持以及抗干扰能力，成为此类应用的有力竞争者。然而，虽然CAN提供了传输层，但它并未规定设备应如何解释所传输的数据。这就是更高层通信协议发挥作用的地方。

Cyphal（原名UAVCAN）就是这样一种专为无人机和机器人等高可靠分布式系统打造的协议。Cyphal运行在以太网、CAN或CAN FD（灵活数据速率）之上，定义了设备间交换消息的结构和语义。它旨在支持低延迟通信，促进不同制造商组件之间的互操作性，并实现遥测数据与控制命令一同传输。

与PWM和DShot等较旧的协议不同，这些协议需要为每个电调配备单独的信号线，而Cyphal允许多个电调通过同一组双线网络进行通信。它可以在发送油门命令的同时，收集电压、电流、温度等更多遥测数据。

下图展示了四旋翼无人机中Cyphal电调集成系统的接线方式。

图9：Cyphal与电调的集成（来源)

在图9中，PX4同时控制飞行命令和传感器数据。四个电调都连接到CAN总线上，因此无需单独的信号线。每个电调管理一个无刷电机，接收来自PX4的油门命令，并返回关键遥测数据。

电调和GNSS模块（GPS系统）共用同一条CAN总线。CAN 1传输飞行控制器发往电调的油门命令，从而决定无人机电机的转速。CAN 2将GPS位置数据发送给飞行控制器，使无人机能够自主更改飞行路径。如果CAN 2上的GPS模块发生故障，CAN 1上的电调仍可正常工作，确保飞行不受中断。

Cyphal也是一种数字协议，每条传输的消息都有一个唯一标识符，该标识符可以通过多种方式设置：协议本身可以设置这些ID，用户也可以手动输入，或者由制造商预装。ID编号越小，优先级越高，因此来自电调的油门等重要信号将优先于GNSS位置更新等不太关键的数据。

如果电调和GNSS模块同时发送消息，电调更高优先级的ID可确保其命令优先发送，而GNSS消息则需等待。这样，即使在传输非关键数据时，无人机也能保持灵敏响应。

常见的Cyphal电调包括Zubax Myxa、Holybro Kotleta 20和KDECAN。 

图10：电调协议及其功能对比表

 

无刷电机电调

正如我们所学到的，电调的作用是受控地将电能从电池输送至电机。如果您在控制器上输入50%的油门，电调将向电机输送50%的“功率”。所谓的“功率”具体取决于所使用的固件。有些固件会使用发送至电机的平均电压，有些则使用目标转速，还有一些会结合使用两者。

电调的一端有两根线连接电池：一根红色（正极）线和一根黑色（负极）线（图11）。另一端则是连接电调与无刷电机的三根线。如果电机连接到电调后反向旋转，只需交换其中任意两根线，即可使其按正确方向旋转。最后一根线连接到油门接收器，该接收器由BEC供电。

图11：电调及其电池（左）、油门接收器（中）和电机连接（右）的接线

无刷电机内部有两个组件：转子（包含永磁铁）和定子（包含铜线圈）。当电流输送至定子的一个线圈时，它会变成电磁铁并产生南北极。当电磁铁的极性与正对的永磁铁极性一致时，同性相斥，转子便会旋转。电调以三相信号输送电流，不断改变电磁铁的极性，从而使转子持续旋转。

为了启动这一过程，电调需要知道转子的位置，以便选择激活哪些电磁铁。对于带传感器的电机，电调使用霍尔效应传感器来确定其位置。 这些信息用于将相输出与转子角度精确同步，从而确保平稳加速。在无人机上更常用的无传感器电机中，启动过程的可靠性略低。电调会向电机发送预定序列以使其启动。一旦电机转速足够，反电动势（BEMF）将足以让电调获得精确的位置估算并同步脉冲。

如需了解更多信息，请查看我们的文章：无刷电机的工作原理

无人机电调 + 如何选择电调

选择电调是无人机设计过程中的重要环节。您需要确保它能满足飞行器的电气需求，同时避免造成不必要的电池损耗。以下是选择电调时需要考虑的几个因素。

电调额定电流

电调的额定电流应比电机的额定电流高出10%至20%。这可以防止其过热，并在最大油门运行时提供一定的余量。为了尽量减轻重量，您不应大幅超过此范围。电调应在类似于飞行条件的条件下进行测试，因为其主要限制因素是散热。高温和空气流通不良会降低电调的额定值并缩短其使用寿命。一些电调有两个电流额定值：持续电流和瞬时电流。持续电流可长时间维持，而瞬时电流仅适用于短时间。 

电调电压

电调有最大电压限制，通常以电压范围或电池组数表示。例如，额定为3S至8S电池组的电调可支持11.1至33.6 V的电压。电调可能允许您设置关断电压，当电池电压过低（每节电池3.0至3.4 V）时会发出警报，以避免损坏电池。这些系统称为低电压保护（LVC），它们会降低电调能提供的最大功率。最终，电调会关闭电机。

散热考量

妥善的热管理对于确保电调可靠运行至关重要。电调的电流额定值并非标准化，不同制造商之间可能存在显著差异。这种差异很大程度上归因于测试条件的差异、是否配备充足的散热片，以及电调预期运行时的空气流通条件。

在设计应用中，设计人员应考虑到环境空气温度和通风会直接影响电调的实际电流承载能力。空气流通不良或环境温度过高可能导致内部工作温度升高，进而降低电调的电流额定值，并随着时间的推移缩短其使用寿命。为了缓解这些问题，设计人员可能会加入专用散热片或采用冷却策略，例如优化PCB布局和强制空气冷却，以确保即使在长时间大电流抽载期间，热量也能得到有效散发。

此外，热设计必须考虑最坏情况。在设计阶段应评估诸如封闭隔间内空气流通受限或环境条件突然变化等因素。

您可以使用Flight Stand硬件并改变冷却条件，在实际条件下测试这些因素。高温会显著降低组件寿命。如果可以获取，请参考电调上晶体管的数据手册。它通常会包含有关晶体管寿命的信息。平均故障间隔时间（MTTF）与e^1/T成正比（T为温度），一个经验法则就是，温度每升高10°C，组件寿命将减半。根据我们的经验，无人机中电调故障比电机故障更常见。

噪声考量

您知道电调初始化时发出的声音其实来自电机吗？推进噪声既来自螺旋桨，也来自电机本身。开关频率较低的电调往往会导致电机产生噪音。在某些情况下，电机的噪音甚至可能超过螺旋桨。这是因为尖锐的方波会导致电机中的线圈振动，类似于扬声器。 

四旋翼无人机用四合一电调

将电调接线到四旋翼无人机时，您可以为每个电机配备一个电调，也可以使用带有单板和四个电机连接器的四合一电调（图10）。如果电机功耗很高，使用四个电调有助于分散热负荷，而四合一电调则是节省空间和减轻硬件重量的绝佳选择。

图12：来自iFlight的四合一电调

结论

本文介绍了电调的基础知识：它们的工作原理、关键组件、通信协议，以及它们如何与CAN总线、无刷电机和无人机协同工作。深入了解这一重要的无人机组件，有助于提升您的知识储备和制作水平。

如需了解更多关于优化无人机的信息，请查看我们的免费电子书：无人机制作与优化。

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