Электронный контроль скорости

Не путать с контроллером двигателя .

Чтобы узнать о других значениях, см. ESC .

Электронный регулятор скорости ( ESC ) — это электронная схема , которая контролирует и регулирует скорость электродвигателя . Он также может обеспечивать реверс двигателя и динамическое торможение .Миниатюрные электронные регуляторы скорости используются в радиоуправляемых моделях с электрическим приводом . Полноразмерные электромобили также оснащены системами контроля скорости приводных двигателей.

Функция

Электронное управление скоростью следует за опорным сигналом скорости (полученным от рычага дроссельной заслонки, джойстика или другого ручного ввода) и изменяет скорость переключения сети полевых транзисторов (FET). Регулируя рабочий цикл или частоту переключения транзисторов, можно изменить скорость двигателя. Быстрое переключение тока, проходящего через двигатель, является причиной того, что сам двигатель издает характерный пронзительный вой, особенно заметный на низких скоростях.

требуются различные типы регуляторов скорости Для коллекторных и бесщеточных двигателей постоянного тока . Скорость коллекторного двигателя можно регулировать, изменяя напряжение на его якоре. (В промышленности двигатели с обмотками возбуждения электромагнитов вместо постоянных магнитов также могут регулировать скорость путем регулирования силы тока возбуждения двигателя.) Бесщеточный двигатель требует другого принципа работы. Скорость двигателя варьируется путем регулировки времени импульсов тока, подаваемого на несколько обмоток двигателя.

Стандартный модуль ESC на 35 ампер со встроенной схемой элиминатора.

Бесщеточные системы ESC в основном создают трехфазную мощность переменного тока, как преобразователь частоты , для работы бесщеточных двигателей . Бесщеточные двигатели популярны среди любителей радиоуправляемых самолетов из-за их эффективности, мощности, долговечности и легкого веса по сравнению с традиционными коллекторными двигателями. Контроллеры бесщеточных двигателей постоянного тока намного сложнее контроллеров коллекторных двигателей.

Правильная фаза тока, подаваемого на двигатель, меняется в зависимости от вращения двигателя, что должно учитываться ESC: Обычно для обнаружения этого вращения используется обратная ЭДС обмоток двигателя, но существуют варианты, в которых используется отдельная магнитная ( Эффект Холла ) датчики или оптические детекторы. Программируемые компьютером элементы управления скоростью обычно имеют определяемые пользователем параметры, которые позволяют устанавливать пределы отключения при низком напряжении, время, ускорение, торможение и направление вращения. Изменение направления вращения двигателя также можно выполнить путем переключения любых двух из трех проводов от ESC к двигателю.

Классификация

ESC обычно рассчитаны на максимальный ток , например 25 ампер (25 А). Как правило, чем выше рейтинг, тем больше и тяжелее ESC, что является фактором при расчете массы и балансировки в самолетах. Многие современные регуляторы поддерживают никель-металлогидридные , литий-ионно-полимерные и литий-железо-фосфатные батареи с различными входными напряжениями и напряжениями отключения. Тип батареи и количество подключенных ячеек являются важным фактором при выборе схемы выпрямителя батареи (BEC), встроенной в контроллер или в качестве автономного устройства. Большее количество подключенных ячеек приведет к снижению номинальной мощности и, следовательно, к меньшему количеству сервоприводов, поддерживаемых встроенным BEC, если он использует линейный стабилизатор напряжения. Хорошо спроектированный BEC, использующий импульсный регулятор, не должен иметь подобных ограничений.

Прошивка ESC

Большинство современных ESC содержат микроконтроллер, интерпретирующий входной сигнал и соответствующим образом управляющий двигателем с помощью встроенной программы или встроенного ПО. В некоторых случаях можно заменить заводскую встроенную прошивку на альтернативную общедоступную прошивку с открытым исходным кодом. Обычно это делается для адаптации ESC к конкретному приложению. Некоторые регуляторы скорости изготавливаются на заводе с возможностью обновления прошивки пользователем. Другие требуют пайки для подключения программатора. ESC обычно продаются в виде черных ящиков с фирменной прошивкой. В 2014 году шведский инженер по имени Бенджамин Веддер запустил проект ESC с открытым исходным кодом, позже получивший название VESC . С тех пор проект VESC привлек внимание своими расширенными возможностями настройки и относительно разумной ценой сборки по сравнению с другими регуляторами высокого класса.

Разъемы батареи

Разъемы аккумулятора обычно используются внутри для соединения порта зарядки с аккумулятором и аккумулятора с ESC.

Применение в транспортных средствах

Электромобили

Большие, сильноточные ESC используются в электромобилях, таких как Nissan Leaf , Tesla Roadster (2008) , Model S , Model X , Model 3 и Chevrolet Bolt . Потребляемая энергия обычно измеряется в киловаттах (например, Nissan Leaf использует двигатель мощностью 160 кВт, развивающий крутящий момент до 340 Нм). Большинство электромобилей массового производства оснащены ESC, которые улавливают энергию, когда автомобиль движется накатом или тормозит, используя двигатель в качестве генератора и замедляя автомобиль. Захваченная энергия используется для зарядки аккумуляторов и, таким образом, увеличивает запас хода автомобиля (это известно как рекуперативное торможение ). В некоторых транспортных средствах, например, производимых Tesla, это может использоваться для настолько эффективного замедления, что обычные тормоза автомобиля необходимы только на очень низких скоростях (эффект торможения двигателем уменьшается по мере снижения скорости). В других моделях, таких как Nissan Leaf, при движении накатом наблюдается лишь небольшой эффект «торможения», а ESC модулирует захват энергии совместно с обычными тормозами, чтобы остановить автомобиль.

ESC, используемые в серийных электромобилях, обычно имеют возможность реверса, позволяя двигателю вращаться в обоих направлениях. Автомобиль может иметь только одно передаточное число, и двигатель просто вращается в противоположном направлении, заставляя автомобиль двигаться задним ходом. Некоторые электромобили с двигателями постоянного тока также имеют эту функцию: для изменения направления вращения двигателя используется электрический переключатель, но другие все время вращают двигатель в одном и том же направлении и используют традиционную механическую или автоматическую коробку передач для изменения направления вращения (обычно это проще, так как на автомобиле, использованном для переоборудования, уже есть трансмиссия, а электродвигатель просто устанавливается вместо исходного двигателя).

Электрические велосипеды и самокаты

Электрический велосипед с электроникой

Двигатель, используемый в электровелосипедах , требует высокого начального крутящего момента и поэтому использует датчики Холла для измерения скорости. Контроллеры электрических велосипедов обычно используют датчики применения тормоза и датчики вращения педалей и обеспечивают регулировку скорости двигателя с помощью потенциометра, управление скоростью с обратной связью для точного регулирования скорости, логику защиты от перенапряжения, перегрузки по току и тепловую защиту. Иногда датчики крутящего момента педали используются для включения помощи двигателя, пропорциональной приложенному крутящему моменту, а иногда обеспечивается поддержка рекуперативного торможения ; однако нечастое торможение и малая масса велосипедов ограничивают рекуперируемую энергию. Реализация описана в официальном документе Zilog по контроллеру двигателя-концентратора ebike. для бесщеточного электродвигателя постоянного тока (BLDC) мощностью 200 Вт, 24 В.

PAS или PAS могут фигурировать в списке компонентов электрических комплектов для переоборудования велосипедов, что подразумевает датчик помощи педали или иногда импульсный датчик помощи педали . Импульс обычно связан с магнитом и датчиком, который измеряет скорость вращения кривошипа. Датчики давления педали под ногами возможны, но не распространены.

Приложения дистанционного управления

ESC может быть автономным устройством, подключаемым к каналу управления дроссельной заслонкой приемника, или встроенным в сам приемник, как это имеет место в большинстве игрушечных радиоуправляемых транспортных средств. Некоторые производители радиоуправляемых устройств, которые устанавливают запатентованную электронику любительского уровня в свои транспортные средства, суда или самолеты начального уровня, используют бортовую электронику, объединяющую их на одной печатной плате .

Электронное управление скоростью для моделей радиоуправляемых автомобилей может включать в себя схему выпрямителя батареи для регулирования напряжения на приемнике , устраняя необходимость в отдельных батареях приемника. Регулятор может быть линейным или переключаемым . В более широком смысле ESC — это ШИМ- контроллеры электродвигателей. ESC обычно принимает номинальный входной сигнал сервопривода ШИМ частотой 50 Гц, ширина импульса которого варьируется от 1 мс до 2 мс. При подаче импульса шириной 1 мс и частотой 50 Гц регулятор скорости реагирует отключением двигателя, подключенного к его выходу. Входной сигнал длительностью импульса 1,5 мс приводит двигатель в движение примерно на половинной скорости. При подаче входного сигнала длительностью 2,0 мс двигатель работает на полной скорости.

Автомобили

ЭКУ, предназначенные для спортивного использования в автомобилях, обычно имеют возможность движения задним ходом; В новых спортивных элементах управления можно отключить функцию заднего хода, чтобы ее нельзя было использовать в гонках. Органы управления, разработанные специально для гонок, и даже некоторые спортивные органы управления имеют дополнительное преимущество, заключающееся в возможности динамического торможения. ESC заставляет двигатель действовать как генератор , помещая электрическую нагрузку на якорь. Это, в свою очередь, затрудняет поворот арматуры , что замедляет или останавливает модель. Некоторые контроллеры добавляют преимущество рекуперативного торможения .

Вертолеты

Дрон

ЭКУ, разработанные для вертолетов с радиоуправлением, не требуют функции торможения (поскольку односторонний подшипник в любом случае сделает ее бесполезной) и не требуют обратного направления (хотя это может быть полезно, поскольку к проводам двигателя часто бывает трудно получить доступ и изменить их). после установки).

Многие высококлассные ESC вертолетов имеют « режим регулятора », который фиксирует обороты двигателя на заданной скорости, что значительно облегчает полет на основе CCPM . Он также используется в квадрокоптерах.

Самолеты

ЭКУ, предназначенные для самолетов с радиоуправлением, обычно содержат несколько функций безопасности. Если мощности, поступающей от аккумулятора, недостаточно для продолжения работы электродвигателя, ESC уменьшит или отключит питание двигателя, позволяя продолжать использовать функции элеронов , руля направления и руля высоты . Это позволяет пилоту сохранять контроль над самолетом , планируя или летая на малой мощности в целях безопасности.

Лодки

ЭКУ, предназначенные для лодок, по необходимости являются водонепроницаемыми. Водонепроницаемая конструкция существенно отличается от конструкции регуляторов скорости неморского типа, поскольку имеет более герметичный корпус для улавливания воздуха. Таким образом, возникает необходимость эффективного охлаждения двигателя и ESC, чтобы предотвратить быстрый выход из строя. Большинство регуляторов скорости морского класса охлаждаются циркулирующей водой, подаваемой двигателем, или отрицательным вакуумом в гребном винте рядом с выходным валом приводного вала. Как и автомобильные ESC, лодочные ESC имеют возможность торможения и заднего хода.

Квадрокоптеры

Электронные регуляторы скорости (ESC) являются важным компонентом современных квадрокоптеров (и всех мультикоптеров), обеспечивая высокую мощность, высокую частоту и высокое разрешение трехфазного переменного тока для двигателя в чрезвычайно компактном миниатюрном корпусе. Эти корабли полностью зависят от переменной скорости двигателей, приводящих в движение пропеллеры. Точный контроль скорости в широком диапазоне скоростей двигателя/винта дает все возможности управления, необходимые для полета квадрокоптера (и всех мультикоптеров).

Регуляторы скорости квадрокоптера обычно могут использовать более высокую частоту обновления по сравнению со стандартным сигналом 50 Гц, используемым в большинстве других приложений RC. В современных мультикоптерах используются различные протоколы ESC, помимо PWM, в том числе Oneshot42, Oneshot125, Multishot и DShot. DShot — это цифровой протокол, который предлагает определенные преимущества по сравнению с классическим аналоговым управлением, такие как более высокое разрешение, контрольные суммы CRC и отсутствие дрейфа генератора (устраняет необходимость калибровки). Современные протоколы ESC могут обмениваться данными на скорости 37,5 кГц или выше, при этом кадр DSHOT2400 занимает всего 6,5 мкс.

Модели поездов

Большинство моделей электрических поездов питаются от электричества, передаваемого по рельсам или по воздушному проводу к транспортному средству, поэтому электронный контроль скорости не обязательно должен быть на борту. Однако это не относится к моделям поездов с цифровыми системами рулевого управления, позволяющими нескольким поездам одновременно двигаться по одному и тому же пути с разной скоростью.

См. также

• Электронный блок управления , система управления автомобильной электроникой
• Разъем JST , семейство электрических разъемов
• Контроллер двигателя , используемый для координации производительности электродвигателя.
• Дроссель

Внешние ссылки

• Что такое электронный регулятор скорости и как работает ESC.