Введение
Электронная схема управления скоростью двигателя.
Электронный контроллер скорости (ESC) – это электронная схема, которая управляет и регулирует скорость электродвигателя. Он также может обеспечивать реверс и динамическое торможение двигателя. Миниатюрные электронные регуляторы скорости используются в электрических моделях с радиоуправлением. Электромобили полноразмерного типа также оснащены системами управления скоростью тяговых двигателей.
Функция
Электронный регулятор скорости отслеживает опорный сигнал скорости (полученный от рычага дросселя, джойстика или другого ручного управления) и изменяет частоту переключения сети полевых транзисторов (FET). Регулируя скважность или частоту переключения транзисторов, изменяется скорость вращения двигателя. Быстрое переключение тока, протекающего через двигатель, является причиной характерного высокочастотного визга, издаваемого самим двигателем, особенно заметного на низких скоростях. Для щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока требуются разные типы регуляторов скорости. Скорость щеточного двигателя можно регулировать, изменяя напряжение на его обмотке якоря. (В промышленности скорость двигателей с обмотками электромагнитного поля вместо постоянных магнитов также можно регулировать, изменяя силу тока возбуждения.) Бесщеточный двигатель требует иного принципа работы. Скорость двигателя изменяется путем регулирования момента времени подачи импульсов тока к нескольким обмоткам двигателя. Бесщеточные системы ESC по сути создают трехфазное переменное напряжение, подобно частотному преобразователю, для питания бесщеточных двигателей. Бесщеточные двигатели популярны среди любителей радиоуправляемых самолетов благодаря своей эффективности, мощности, долговечности и легкому весу по сравнению с традиционными щеточными двигателями. Контроллеры бесщеточных двигателей постоянного тока значительно сложнее, чем контроллеры щеточных двигателей. Правильная фаза тока, подаваемого на двигатель, меняется в зависимости от вращения двигателя, что должно учитываться ESC: обычно для определения этого вращения используется противоЭДС от обмоток двигателя, но существуют варианты с использованием отдельных магнитных (эффект Холла) датчиков или оптических детекторов. Компьютерные программируемые регуляторы скорости обычно имеют настраиваемые параметры, позволяющие задавать пределы отключения при низком напряжении, время, ускорение, торможение и направление вращения. Изменение направления вращения двигателя также может быть достигнуто путем переключения любых двух из трех проводов от ESC к двигателю.
Классификация
Электронные регуляторы скорости (ЭСК) обычно характеризуются максимальным током, например, 25 ампер (25 А). Как правило, чем выше этот показатель, тем больше и тяжелее ЭСК, что необходимо учитывать при расчете массы и балансировки самолета. Многие современные ЭСК поддерживают никель-металлгидридные, литий-полимерные и литий-железофосфатные аккумуляторы с различными диапазонами входного и отсечного напряжения. При выборе схемы исключения батареи (BEC), будь то встроенная в контроллер или отдельный модуль, важно учитывать тип аккумулятора и количество последовательно соединенных ячеек. Увеличение числа ячеек приводит к снижению выходной мощности и, следовательно, к уменьшению количества сервоприводов, которые может поддерживать встроенный BEC, если он использует линейный стабилизатор напряжения. Хорошо спроектированный BEC, использующий импульсный стабилизатор напряжения, не должен иметь подобных ограничений.
Ферм-платформа ESC
Большинство современных ESC содержат микроконтроллер, который интерпретирует входной сигнал и соответствующим образом управляет двигателем, используя встроенную программу или прошивку. В некоторых случаях можно заменить заводскую прошивку на альтернативную, общедоступную прошивку с открытым исходным кодом. Это обычно делается для адаптации ESC к конкретному применению. Некоторые ESC изначально разрабатываются с возможностью обновления прошивки пользователем. Другим для подключения программатора требуется пайка. ESC обычно продаются как "черные ящики" с проприетарной прошивкой. В 2014 году шведский инженер Бенджамин Веддер начал проект ESC с открытым исходным кодом, который позже получил название VESC. Проект VESC с тех пор привлек внимание благодаря расширенным возможностям настройки и относительно доступной цене по сравнению с другими высококлассными ESC.
Электромобили
Крупные, высокоточные контроллеры двигателей (ESC) используются в электромобилях, таких как Nissan Leaf, Tesla Roadster (2008), Model S, Model X, Model 3 и Chevrolet Bolt. Потребление энергии обычно измеряется в киловаттах (например, Nissan Leaf использует двигатель мощностью 160 кВт, который развивает крутящий момент до 340 Нм). Большинство серийно выпускаемых электромобилей оснащены ESC, которые рекуперируют энергию при движении накатом или торможении, используя двигатель в качестве генератора для замедления автомобиля. Рекуперированная энергия используется для зарядки аккумуляторов, тем самым увеличивая запас хода автомобиля (это известно как регенеративное торможение). В некоторых автомобилях, например, производства Tesla, это позволяет замедляться настолько эффективно, что обычные тормоза требуются только на очень низких скоростях (эффект торможения двигателем уменьшается при снижении скорости). В других, таких как Nissan Leaf, при движении накатом ощущается лишь небольшое сопротивление, а ESC модулирует рекуперацию энергии совместно с обычными тормозами для полной остановки автомобиля. ESC, используемые в серийно выпускаемых электромобилях, обычно имеют функцию реверса, позволяющую двигателю вращаться в обоих направлениях. Автомобиль может иметь только одну передачу, и для движения задним ходом двигатель просто вращается в противоположном направлении. Некоторые электромобили с двигателями постоянного тока также имеют эту функцию, используя электрический переключатель для изменения направления вращения двигателя, но другие вращают двигатель всегда в одном направлении и используют традиционную механическую или автоматическую коробку передач для движения задним ходом (обычно это проще, поскольку автомобиль, используемый для переоборудования, уже оснащен коробкой передач, и электродвигатель просто устанавливается на место оригинального двигателя).
Электрические велосипеды
Для электрического велосипеда требуется высокий пусковой крутящий момент, поэтому для измерения скорости используются датчики Холла. Контроллеры электрических велосипедов обычно оснащаются датчиками торможения и датчиками вращения педалей, а также обеспечивают регулировку скорости двигателя с помощью потенциометра, замкнутое управление скоростью для точной регулировки, и логику защиты от перенапряжения, перегрузки по току и перегрева. Иногда используются датчики усилия на педали для обеспечения помощи двигателя, пропорциональной приложенному усилию, и иногда поддерживается регенеративное торможение; однако, нечастое торможение и небольшая масса велосипедов ограничивают количество восстанавливаемой энергии. В технической документации компании Zilog описана реализация контроллера мотор-колеса для электровелосипеда, предназначенного для бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC) мощностью 200 Вт и напряжением 24 В. Аббревиатуры P.A.S. или PAS могут встречаться в списке компонентов комплектов для электрической переоборудовки велосипедов, обозначая датчик помощи при педалировании или, иногда, импульсный датчик помощи при педалировании. Под импульсом обычно подразумевается магнит и датчик, измеряющие угловую скорость шатуна. Датчики давления на педали под ногами возможны, но не распространены.
Приложения для дистанционного управления
ESC может быть как автономным устройством, подключаемым к каналу управления газом приемника, так и встроенным непосредственно в приемник, как это обычно реализовано в большинстве радиоуправляемых моделей игрушечного класса. Некоторые производители радиоуправляемых моделей, использующие запатентованную электронику хобби-класса в своих начального уровня транспортных средствах, судах или самолетах, применяют бортовую электронику, объединяющую обе функции на одной печатной плате. Электронные регуляторы скорости для моделей RC-техники могут включать схему исключения батареи для регулирования напряжения питания приемника, что устраняет необходимость в отдельных батареях для приемника. Регулятор может быть линейным или импульсным. В более широком смысле, ESC являются PWM-контроллерами для электродвигателей. ESC обычно принимает стандартный 50 Гц PWM-сервосигнал, ширина импульса которого изменяется от 1 мс до 2 мс. При подаче импульса шириной 1 мс с частотой 50 Гц, ESC отключает двигатель, подключенный к его выходу. Импульс шириной 1,5 мс приводит двигатель в движение примерно на половине максимальной скорости. При подаче импульса шириной 2,0 мс двигатель работает на полной скорости.
Автомобили
ESC, предназначенные для использования в спортивных машинах, обычно имеют функцию реверса; в новых спортивных регуляторах эта функция может быть отключена, чтобы исключить её использование во время гонки. Регуляторы, разработанные специально для гонок, и даже некоторые спортивные регуляторы обладают дополнительным преимуществом – возможностью динамического торможения. ESC заставляет двигатель работать как генератор, создавая электрическую нагрузку на обмотку якоря. Это, в свою очередь, увеличивает сопротивление вращению якоря, тем самым замедляя или останавливая модель. Некоторые регуляторы также обеспечивают рекуперативное торможение.
Вертолеты
ESC, предназначенные для радиоуправляемых вертолетов, не нуждаются в функции торможения (поскольку односторонний подшипник все равно сделает ее неэффективной), и не требуют функции реверса (хотя она может быть полезна, так как провода двигателя часто бывает сложно получить и заменить после установки). Многие высококлассные ESC для вертолетов оснащены "режимом регулятора", который фиксирует обороты двигателя на заданной скорости, значительно облегчая полет с использованием схемы CCPM. Он также применяется в квадрокоптерах.
Самолеты
ESC, предназначенные для самолетов радиоуправления, обычно оснащены несколькими функциями безопасности. Если мощности, подаваемой от аккумулятора, недостаточно для продолжения работы электродвигателя, ESC снизит или полностью прекратит подачу питания на двигатель, при этом сохраняя возможность управления элеронами, рулем направления и рулем высоты. Это позволяет пилоту сохранить контроль над самолетом, чтобы спланировать или лететь на пониженной мощности к безопасному месту.
Лодки
ESC, предназначенные для лодок, по необходимости являются водонепроницаемыми. Герметичная конструкция значительно отличается от конструкции ESC не морского типа, имея более компактный корпус, предотвращающий попадание воздуха. В связи с этим возникает необходимость в эффективном охлаждении двигателя и ESC для предотвращения быстрого выхода из строя. Большинство морских ESC охлаждаются циркулирующей водой, приводимой в движение двигателем, или разрежением, создаваемым пропеллером вблизи выходного вала привода. Как и автомобильные ESC, ESC для лодок обладают функцией торможения и реверса.
Квадрокоптеры
Электронные регуляторы скорости (ESC) являются важнейшим компонентом современных квадрокоптеров (и всех мультироторов), обеспечивая высокую мощность, высокую частоту и высокое разрешение трехфазного переменного тока для двигателя в чрезвычайно компактном миниатюрном исполнении. Эти аппараты полностью зависят от переменной скорости двигателей, вращающих пропеллеры. Точное управление скоростью в широком диапазоне оборотов двигателя/пропеллера обеспечивает весь необходимый контроль для полета квадрокоптера (и всех мультироторов). ESC для квадрокоптеров обычно могут использовать более высокую частоту обновления сигнала по сравнению со стандартными 50 Гц, применяемыми в большинстве других RC-приложений. Для современных мультироторов используются различные протоколы ESC, помимо PWM, включая Oneshot42, Oneshot125, Multishot и DShot. DShot – это цифровой протокол, предлагающий ряд преимуществ по сравнению с классическим аналоговым управлением, таких как более высокое разрешение, проверка контрольной суммы CRC и отсутствие дрейфа генератора (что устраняет необходимость в калибровке). Современные протоколы ESC могут передавать данные со скоростью 37,5 кГц и выше, при этом кадр DSHOT2400 занимает всего 6,5 мкс.
Модельные поезда
Большинство электрических моделей поездов питаются от электричества, передаваемого по рельсам или контактной сети, поэтому электронный регулятор скорости не обязательно должен быть установлен на самом поезде. Однако это не так для моделей поездов с цифровым управлением, позволяющим нескольким поездам одновременно двигаться по одному и тому же пути с разной скоростью.