Электронный регулятор скорости ( ESC ) — это электронная схема , которая управляет 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 имеют системы для управления скоростью своих приводных двигателей.
Электронный регулятор скорости следует опорному сигналу скорости (полученному от рычага дроссельной заслонки, джойстика или другого ручного ввода) и изменяет скорость переключения сети полевых транзисторов (FET). [1] Регулируя рабочий цикл или частоту переключения транзисторов, можно изменить скорость двигателя. Быстрое переключение тока, протекающего через двигатель, заставляет сам двигатель издавать свой характерный пронзительный вой, особенно заметный на низких скоростях.
Для щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока требуются различные типы управления скоростью . Щеточный двигатель может управлять своей скоростью, изменяя напряжение на якоре. (В промышленности двигатели с обмотками электромагнитного поля вместо постоянных магнитов также могут управлять своей скоростью, изменяя силу тока поля двигателя.) Бесщеточный двигатель требует другого принципа работы. Скорость двигателя изменяется путем регулировки времени импульсов тока, подаваемых на несколько обмоток двигателя.
Бесщеточные системы ESC в основном создают трехфазный переменный ток, как частотно-регулируемый привод , для работы бесщеточных двигателей . Бесщеточные двигатели популярны среди любителей радиоуправляемых самолетов из-за их эффективности, мощности, долговечности и легкого веса по сравнению с традиционными щеточными двигателями. Контроллеры бесщеточных двигателей постоянного тока намного сложнее контроллеров щеточных двигателей. [2]
Правильная фаза тока, подаваемого на двигатель, меняется в зависимости от вращения двигателя, что должно учитываться ESC: Обычно для обнаружения этого вращения используется обратная ЭДС от обмоток двигателя, но существуют вариации, в которых используются отдельные магнитные ( эффект Холла ) датчики или оптические детекторы. Программируемые компьютером регуляторы скорости обычно имеют определяемые пользователем параметры, которые позволяют устанавливать пределы отключения низкого напряжения, время, ускорение, торможение и направление вращения. Изменение направления вращения двигателя также может быть выполнено путем переключения любых двух из трех проводов от ESC к двигателю.
ESC обычно оцениваются по максимальному току , например, 25 ампер (25 А). Как правило, чем выше номинал, тем больше и тяжелее ESC, что является фактором при расчете массы и балансировки в самолетах. Многие современные ESC поддерживают никель-металл-гидридные , литий-ионные полимерные и литий-железо-фосфатные батареи с диапазоном входного и отсечённого напряжения. Тип батареи и количество подключенных ячеек являются важным фактором при выборе схемы выпрямителя батареи (BEC), встроенной в контроллер или как отдельное устройство. Большее количество подключенных ячеек приведет к снижению номинальной мощности и, следовательно, меньшему количеству сервоприводов, поддерживаемых встроенным BEC, если он использует линейный регулятор напряжения. Хорошо спроектированный BEC, использующий импульсный регулятор, не должен иметь подобных ограничений.
Большинство современных ESC содержат микроконтроллер, интерпретирующий входной сигнал и соответствующим образом управляющий двигателем с помощью встроенной программы или прошивки. В некоторых случаях можно изменить заводскую встроенную прошивку на альтернативную, общедоступную прошивку с открытым исходным кодом. Это делается, как правило, для адаптации ESC к конкретному приложению. Некоторые ESC 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 начал проект ESC с открытым исходным кодом, позже названный VESC. [3] С тех пор проект VESC привлек внимание своими расширенными возможностями настройки и относительно разумной ценой сборки по сравнению с другими высококлассными ESC. [4]
Большие, высокоточные 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, который выдает крутящий момент до 340 Нм). Большинство серийных электромобилей оснащены ESC, которые улавливают энергию, когда автомобиль движется по инерции или тормозит, используя двигатель в качестве генератора и замедляя автомобиль. Уловленная энергия используется для зарядки аккумуляторов и, таким образом, увеличения дальности пробега автомобиля (это известно как рекуперативное торможение ). В некоторых транспортных средствах, таких как производимые Tesla, это может использоваться для замедления настолько эффективно, что обычные тормоза автомобиля нужны только на очень низких скоростях (эффект торможения двигателем уменьшается по мере снижения скорости). В других моделях, например, в Nissan Leaf, при движении накатом наблюдается лишь небольшой эффект «торможения», и система ESC регулирует захват энергии совместно с обычными тормозами, чтобы остановить автомобиль.
ESC, используемые в массовых электромобилях, обычно имеют возможность реверса, позволяя двигателю работать в обоих направлениях. Автомобиль может иметь только одно передаточное отношение, и двигатель просто вращается в противоположном направлении, чтобы заставить автомобиль двигаться задним ходом. Некоторые электромобили с двигателями постоянного тока также имеют эту функцию, используя электрический переключатель для изменения направления двигателя, но другие все время вращают двигатель в одном направлении и используют традиционную механическую или автоматическую коробку передач для изменения направления (обычно это проще, поскольку транспортное средство, используемое для переоборудования, уже имеет трансмиссию, а электродвигатель просто устанавливается вместо оригинального двигателя).
Двигатель, используемый в электровелосипеде, требует высокого начального крутящего момента и поэтому использует датчики Холла для измерения скорости. Контроллеры электровелосипеда обычно используют датчики применения тормоза и датчики вращения педалей и обеспечивают регулируемую потенциометром скорость двигателя, замкнутое управление скоростью для точного регулирования скорости, логику защиты от перенапряжения, перегрузки по току и тепловую защиту. Иногда датчики крутящего момента педалей используются для включения помощи двигателю, пропорциональной приложенному крутящему моменту, а иногда предоставляется поддержка для рекуперативного торможения ; однако нечастое торможение и малая масса велосипедов ограничивают рекуперируемую энергию. Реализация описана в техническом документе Zilog о контроллере двигателя-концентратора электровелосипеда [5] для бесщеточного электрического двигателя постоянного тока (BLDC) мощностью 200 Вт, 24 В. [6]
PAS или PAS могут появляться в списке компонентов электрических комплектов для переоборудования велосипедов, что подразумевает датчик помощи педалям или иногда датчик помощи педалям Pulse . Импульс обычно относится к магниту и датчику, который измеряет скорость вращения шатуна. Датчики давления педалей под ногами возможны, но не распространены. [7]
ESC может быть автономным устройством, которое подключается к каналу управления дроссельной заслонкой приемника или встроенным в сам приемник, как в случае большинства игрушечных радиоуправляемых машин. Некоторые производители радиоуправляемых машин, которые устанавливают собственную электронику любительского уровня в свои базовые машины, суда или самолеты, используют бортовую электронику, которая объединяет их на одной плате .
Электронные регуляторы скорости для моделей радиоуправляемых автомобилей могут включать схему выпрямителя батареи для регулирования напряжения для приемника , устраняя необходимость в отдельных батареях приемника. Регулятор может быть линейным или импульсным . ESC, в более широком смысле, являются ШИМ- контроллерами для электродвигателей. ESC обычно принимает номинальный 50 Гц ШИМ-сигнал сервопривода, ширина импульса которого варьируется от 1 мс до 2 мс. При подаче импульса шириной 1 мс при 50 Гц ESC реагирует, отключая двигатель, подключенный к его выходу. Входной сигнал шириной 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.
ESC, разработанные для спортивного использования в автомобилях, как правило, имеют возможность реверса; более новые спортивные элементы управления могут иметь возможность реверса, так что их нельзя использовать в гонке. Элементы управления, разработанные специально для гонок, и даже некоторые спортивные элементы управления имеют дополнительное преимущество в виде возможности динамического торможения. ESC заставляет двигатель работать как генератор , помещая электрическую нагрузку на якорь. Это, в свою очередь, затрудняет вращение якоря , тем самым замедляя или останавливая модель. Некоторые контроллеры добавляют преимущество рекуперативного торможения .
Электронные регуляторы скорости, разработанные для радиоуправляемых вертолетов, не требуют функции торможения (поскольку односторонний подшипник в любом случае сделал бы ее бесполезной), а также не требуют реверсивного направления (хотя это может быть полезно, поскольку доступ к проводам двигателя и их замена после установки часто затруднены).
Многие высококлассные ESC вертолетов обеспечивают " режим регулятора ", который фиксирует обороты двигателя на заданной скорости, что значительно облегчает полет на основе CCPM . Он также используется в квадрокоптерах.
ESC, разработанные для радиоуправляемых самолетов, обычно содержат несколько функций безопасности. Если мощности, поступающей от батареи, недостаточно для продолжения работы электродвигателя, ESC уменьшит или отключит питание двигателя, позволяя при этом продолжать использовать элероны , руль направления и функцию руля высоты . Это позволяет пилоту сохранить контроль над самолетом , чтобы планировать или лететь на малой мощности в целях безопасности.
ESC, предназначенные для лодок, по необходимости водонепроницаемы. Водонепроницаемая конструкция существенно отличается от конструкции ESC не морского типа, с более плотным корпусом для улавливания воздуха. Таким образом, возникает необходимость в эффективном охлаждении двигателя и ESC для предотвращения быстрого выхода из строя. Большинство ESC морского класса охлаждаются циркулирующей водой, подаваемой двигателем, или отрицательным вакуумом гребного винта вблизи выхода вала привода. Как и автомобильные ESC, лодочные ESC имеют возможность торможения и реверса.
Электронные регуляторы скорости (ESC) являются неотъемлемым компонентом современных квадрокоптеров (и всех мультикоптеров), обеспечивая высокую мощность, высокую частоту и высокое разрешение 3-фазного переменного тока для двигателя в чрезвычайно компактном миниатюрном корпусе. Эти летательные аппараты полностью зависят от переменной скорости двигателей, приводящих в движение пропеллеры. Точный контроль скорости в широком диапазоне скорости двигателя/пропеллера дает все необходимое управление для полета квадрокоптера (и всех мультикоптеров).
Регулятор скорости квадрокоптера обычно может использовать более высокую частоту обновления по сравнению со стандартным сигналом 50 Гц, используемым в большинстве других RC-приложений. Для современных мультикоптеров используются различные протоколы ESC помимо PWM, включая 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 осциллятора (что устраняет необходимость в калибровке). Современные протоколы ESC могут взаимодействовать на скоростях 37,5 кГц или выше, при этом кадр DSHOT2400 занимает всего 6,5 мкс. [8] [9]
Большинство электрических моделей поездов питаются от электричества, которое передается по рельсам или по контактному 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 двигаться по одному и тому же пути с разной скоростью в одно и то же время.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)примечание к применению