Схема регулятора скорости бесколлекторного двигателя (ESC)

Схема условно разделена на две части: левая — микроконтроллер с логикой, правая — силовая часть. Силовую часть можно модифицировать для работы с двигателями другой мощности или с другим питающим напряжением.

Контроллер — ATMEGA168. Гурманы могут сказать, что хватило бы и ATMEGA88, а AT90PWM3 — это было бы «вааще по феншую». Первый регулятор я как раз делал «по феншую». Если у Вас есть возможность применять AT90PWM3 — это будет наиболее подходящий выбор. Но для моих задумок решительно не хватало 8 килобайт памяти. Поэтому я применил микроконтроллер ATMEGA168.

Эта схема задумывалась как испытательный стенд. На котором предполагалось создать универсальный настраиваемый регулятор для работы с различными «калибрами» бесколлекторных двигателей: как с датчиками, так и без датчиков положения. В этой статье я опишу схему и принцип работы прошивки регулятора для управления бесколлекторными двигателями с датчиками Холла и без датчиков.

Схема регулятора

Питание

ШИМ и сигналы для ключей

Обратная связь (контроль напряжения фаз двигателя)

Датчики Холла

Измерения аналоговых сигналов

На вход ADC3(PC3) поступает аналоговый сигнал от датчика тока. Датчик тока ACS756SA. Это датчик тока на основе эффекта Холла. Преимущество этого датчика в том, что он не использует шунт, а значит, имеет внутреннее сопротивление близкое к нулю, поэтому на нем не происходит тепловыделения. Кроме того, выход датчика аналоговый в пределах 5В, поэтому без каких-либо преобразований подается на вход АЦП микроконтроллера, что упрощает схему. Если потребуется датчик с большим диапазоном измерения тока, Вы просто заменяете существующий датчик новым, абсолютно не изменяя схему.

Если Вам хочется использовать шунт с последующей схемой усиления, согласования — пожалуйста.

Задающие сигналы

Кроме того, есть вход RC сигнала, который повсеместно используется в дистанционно управляемых моделях. Выбор управляющего входа и его калибровка выполняется в программных настройках регулятора.

UART интерфейс

Прочее

Светодиод, сигнализирующий о состоянии регулятора, подключен к выводу PD4.

Силовая часть

Ключи нужно выбирать в зависимости от максимального тока и напряжения питания двигателя (выбору ключей и драйверов будет посвящена отдельная статья). На схеме обозначены IR540, в реальности использовались K3069. K3069 рассчитаны на напряжение 60В и ток 75А. Это явный перебор, но мне они достались даром в большом количестве (желаю и Вам такого счастья).

Конденсатор С19 включается параллельно питающей батареи. Чем больше его емкость — тем лучше. Этот конденсатор защищает батарею от бросков тока и ключи от значительной просадки напряжения. При отсутствии этого конденсатора Вам обеспечены как минимум проблемы с ключами. Если подключать батарею сразу к VD — может проскакивать искра. Искрогасящий резистор R32 используется в момент подключения к питающей батарее. Сразу подключаем «—» батареи, затем подаем «+» на контакт Antispark. Ток течет через резистор и плавно заряжает конденсатор С19. Через несколько секунд, подключаем контакт батареи к VD. При питании 12В можно Antispark не делать.

Возможности прошивки

• возможность управлять двигателями с датчиками и без;
• для бездатчикового двигателя три вида старта: без определения первоначального положения; с определением первоначального положения; комбинированный;
• настройка угла опережения фазы для бездатчикового двигателя с шагом 1 градус;
• возможность использовать один из двух задающих входов: 1-аналоговый, 2-RC;
• калибровка входных сигналов;
• реверс двигателя;
• настройка регулятора по порту UART и получение данных от регулятора во время работы (обороты, ток, напряжение батареи);
• частота ШИМ 16, 32 КГц.
• настройка уровня ШИМ сигнала для старта двигателя;
• контроль напряжения батарей. Два порога: ограничение и отсечка. При снижении напряжения батареи до порога ограничения обороты двигателя понижаются. При снижении ниже порога отсечки происходит полная остановка;
• контроль тока двигателя. Два порога: ограничение и отсечка;
• настраиваемый демпфер задающего сигнала;
• настройка Dead time для ключей

Работа регулятора

Включение

После включения двигатель издает 1 короткий сигнал (если звук не отключен), включается и постоянно светится светодиод. Регулятор готов к работе.

Для запуска двигателя следует увеличивать величину задающего сигнала. В случае использования задающего потенциометра, запуск двигателя начнется при достижении задающего напряжения уровня примерно 0.14 В. При необходимости можно выполнить калибровку входного сигнала, что позволяет использовать раные диапазоны управляющих напряжений. По умолчанию настроен демпфер задающего сигнала. При резком скачке задающего сигнала обороты двигателя будут расти плавно. Демпфер имеет несимметричную характеристику. Сброс оборотов происходит без задержки. При необходимости демпфер можно настроить или вовсе отключить.

Запуск

При опрокидывании двигателя или механическом заклинивании ротора срабатывает защита, и регулятор пытается перезапустить двигатель.

Запуск двигателя с датчиками Холла также выполняется с применением настроек для старта двигателя. Т.е. если для запуска двигателя с датчиками дать полный газ, то регулятор подаст напряжение, которое указано в настройках для старта. И только после того, как двигатель начнет вращаться, будет подано полное напряжение. Это несколько нестандартно для двигателя с датчиками, поскольку такие двигатели в основном применяются как тяговые, а в данном случае достичь максимального крутящего момента на старте, возможно, будет сложно. Тем не менее, в данном регуляторе присутствует такая особенность, которая защищает двигатель и регулятор от выхода со строя при механическом заклинивании двигателя.

Во время работы регулятор выдает данные об оборотах двигателя, токе, напряжении батарей через порт UART в формате:

Данные выдаются с периодичностью примерно 1 секунда. Скорость передачи по порту 9600.

Настройка регулятора

Переход регулятора в режим настройки происходит при включении регулятора, когда задающий сигнал потенциометра больше нуля. Т.е. Для перевода регулятора в режим настройки следует повернуть ручку задающего потенциометра, после чего включить регулятор. В терминале появится приглашение в виде символа «>«. После чего можно вводить команды.

Регулятор воспринимает следующие команды (в разных версиях прошивки набор настроек и команд может отличаться):

h — вывод списка команд; ? — вывод настроек; c — калибровка задающего сигнала; d — сброс настроек к заводским настройкам.

команда «?» выводит в терминал список всех доступных настроек и их значение. Например: Изменить нужную настройку можно командой следующего формата:

pwm.start=15

Если команда была дана корректно, настройка будет применена и сохранена. Проверить текущие настройки после их изменения можно командой «?«.

Измерения аналоговых сигналов (напряжение, ток) выполняются с помощью АЦП микроконтроллера. АЦП работает в 8-ми битном режиме. Точность измерения занижена намеренно для обеспечения приемлемой скорости преобразования аналогового сигнала. Соответственно, все аналоговые величины регулятор выдает в виде 8-ми битного числа, т.е. от 0 до 255.

Список настроек, их описание:

Параметр	Описание	Значение
motor.type	Тип мотора	0-Sensorless; 1-Sensored
motor.magnets	Кол.во магнитов в роторе двигателя. Изпользуется только для расчета оборотов двигателя.	0..255, шт.
motor.angle	Угол опережения фазы. Используется только для Sensorless двигателей.	0..30, градусов
motor.start.type	Тип старта. Используется только для Sensorless двигателей.	0-без определения положения ротора; 1-с определением положения ротора; 2-комбинированный;
motor.start.time	Время старта.	0..255, мс
pwm	Частота PWM	16, 32, КГц
pwm.start	Значение PWM (%) для старта двигателя.	0..50 %
pwm.min	Значение минимального значения PWM (%), при котором двигатель вращается.	0..30 %
voltage.limit	Напряжение батареи, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255*
voltage.cutoff	Напряжение батареи, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255*
current.limit	Ток, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255**
current.cutoff	Ток, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255**
system.sound	Включить/выключить звуковой сигнал, издаваемый двигателем	0-выключен; 1-включен;
system.input	Задающий сигнал	0-потенциометр; 1-RC сигнал;
system.damper	Демпфирование входного сигнала	0..255, условные единицы
system.deadtime	Значение Dead Time для ключей в микросекундах	0..2, мкс

* — числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя. Рассчитывается по формуле: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5 Где: U — напряжение в Вольтах; R5, R6 — сопротивление резисторов делителя в Омах.

** — числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя. Рассчитывается по формуле: ADC = U*255/5 Где: U — напряжение датчика тока в Вольтах, соответствующее требуемому току.

Фьюзы микроконтроллера должны быть выставлены на работу с внешним кварцем. Строка для программирования фьюзов с помощью AVRDUDE:

-U lfuse:w:0xFF:m -U hfuse:w:0xDC:m

Подключение бесколлекторного электродвигателя постоянного тока (BLDC) к Arduino

В настоящее время наблюдается небывалый интерес к конструированию различных летающих механизмов – дронов, планеров, глайдеров, вертолетов и т.д. Сейчас их можно легко сконструировать самостоятельно благодаря большому количеству материалов по ним в сети интернет. Все эти летающие механизмы используют для своего движения так называемые бесщёточные (бесколлекторные) электродвигатели постоянного тока (BLDC — Brushless DC Motor). Что представляют собой подобные двигатели? Почему именно они сейчас используются в различных летающих дронах? Как правильно купить подобный двигатель и подключить его к микроконтроллеру? Что такое ESC и почему мы будем его использовать? Ответы на все эти вопросы вы найдете в данной статье.

В этой статье мы рассмотрим управление скоростью вращения бессенсорного бесколлекторного электродвигателя постоянного тока A2212/13T (Sensorless BLDC outrunner motor), часто используемого для конструирования дронов, с помощью ESC (Electronic Speed Controller – электронный контроллер скорости) и платы Arduino.

Необходимые компоненты

1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
2. A2212/13T BLDC Motor (бесколлекторный электродвигатель постоянного тока).
3. ESC (20A) (электронный контроллер скорости) (купить на AliExpress).
4. Источник питания (12V 20A).
5. Потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).

Принцип действия BLDC двигателей

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC двигатели) в настоящее время часто используются в потолочных вентиляторах и электрических движущихся транспортных средствах благодаря их плавному вращению. В отличие от других электродвигателей постоянного тока BLDC двигатели подключаются с помощью трех проводов, выходящих из них, при этом каждый провод образует свою собственную фазу, то есть получаем трехфазный мотор.

Хотя BLDC относятся к двигателям постоянного тока они управляются с помощью последовательности импульсов. Для преобразования напряжения постоянного тока в последовательность импульсов и распределения их по трем проводникам используется контроллер ESC (Electronic speed controller). В любой момент времени питание подается только на две фазы, то есть электрический ток заходит в двигатель через одну фазу, и покидает его через другую. Во время этого процесса запитывается катушка внутри двигателя, что приводит к тому, что магниты выравниваются по отношению к запитанной катушке. Затем контроллер ESC подает питание на другие два провода (фазы) и этот процесс смены проводов, на которые подается питание, продолжается непрерывно, что заставляет двигатель вращаться. Скорость вращения двигателя зависит от того как быстро подается энергия на катушку двигателя, а направление вращения – от порядка смены фаз, на которые поочередно подается питание.

Существуют различные типы BLDC двигателей – давайте рассмотрим основные из них. Различают Inrunner и OutRunner BLDC двигатели. В Inrunner двигателях магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, а в OutRunner двигателях магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. То есть в Inrunner (по этому принципу конструируется большинство двигателей постоянного тока) ось внутри двигателя вращается, а оболочка остается неподвижной. А в OutRunner сам двигатель вращается вокруг оси с катушкой, которая остается неподвижной. OutRunner двигатели особенно удобны для применения в электрических велосипедах, поскольку внешняя оболочка двигателя непосредственно приводит в движение колесо велосипеда, что позволяет обойтись без механизма сцепления. К тому же OutRunner двигатели обеспечивают больший крутящий момент, что делает их также идеальным выбором для применения в электрических движущихся средствах и дронах. Поэтому и в этой статье мы будем рассматривать подключение к платы Arduino двигателя OutRunner типа.

Примечание : существует еще такой тип BLDC двигателей как бесстержневой (coreless), который находит применение в «карманных» дронах. Эти двигатели работают по несколько иным принципам, но рассмотрение принципов их работы выходит за рамки данной статьи.

BLDC двигатели с датчиками (Sensor) и без датчиков (Sensorless). Для BLDC двигателей, которые вращаются плавно, без рывков, необходима обратная связь. Поэтому контроллер ESC должен знать позиции и полюса магнитов ротора чтобы правильно запитывать статор. Эту информацию можно получить двумя способами: первый из них заключается в размещении датчика Холла внутри двигателя. Датчик Холла будет обнаруживать магнит и передавать информацию об этом в контроллер ESC. Этот тип двигателей называется Sensor BLDC (с датчиком) и он находит применение в электрических движущихся транспортных средствах. Второй метод обнаружения позиции магнитов заключается в использовании обратной ЭДС (электродвижущей силы), генерируемой катушками в то время когда магниты пересекают их. Достоинством этого метода является то, что он не требует использования каких либо дополнительных устройств (датчик Холла) – фазовый провод самостоятельно используется в качестве обратной связи благодаря наличию обратной ЭДС. Этот метод используется в двигателе, рассматриваемом в нашей статье, и именно он чаще всего применяется в дронах и других летающих устройствах.

Почему дроны и вертолеты используют именно BLDC двигатели?

Сейчас существует множество различных типов дронов – с двумя лопастями, с четырьмя лопастями и т.д. Но все они используют именно BLDC двигатели. Почему именно их, ведь BLDC двигатели стоят дороже чем обычные электродвигатели постоянного тока?

Существует несколько причин для этого:

• большой крутящий момент, который очень важен для того чтобы оторвать летающее средство от земли;
• эти двигатели доступны в формате OutRunner, что позволяет обойтись без сцепления в конструкции дрона;
• маленький уровень вибраций во время работы, что очень важно для неподвижного зависания дрона в воздухе;
• хорошее соотношение мощности к весу двигателя. Это очень важно для использования на летающих механизмах чтобы все элементы его конструкции имели как можно меньший вес. Обычный двигатель постоянного тока, обеспечивающий такой же крутящий момент как и BLDC двигатель, будет как минимум в два раза тяжелее него.

Зачем нужен контроллер ESC

Как мы уже знаем, для функционирования BLDC двигателей необходим какой-нибудь контроллер, который преобразует напряжение постоянного тока от батарейки в последовательность импульсов, подаваемую в определенном порядке на провода (фазы) двигателя. Этот контроллер называется ESC (Electronic Speed Controller – электронный контроллер скорости). Основной обязанностью данного контроллера является правильная подача питания на провода BLDC двигателя чтобы двигатель вращался в нужном направлении. Это осуществляется с помощью считывания обратной ЭДС (back EMF) с каждого провода и подачи питания на катушку в то время когда магнит пересекает ее. Внутри себя контроллер ESC содержит достаточно много разнообразной электроники и при желании вы можете подробно изучить его устройство по соответствующим материалам в сети интернет. Здесь же мы кратко рассмотрим рассмотрим только основные компоненты его конструкции.

Управление скоростью вращения на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции, в англ. PWM) . Контроллер ESC может управлять скоростью вращения BLDC двигателя при помощи считывания сигнала ШИМ подаваемого на его оранжевый провод. Принцип управления им очень похож на управление сервомоторами. Сигнал ШИМ, подаваемый на контроллер ESC, должен иметь период 20ms, а коэффициент заполнения этого ШИМ сигнала будет определять скорость вращения BLDC двигателя. Поскольку точно такой же принцип используется для управления углом поворотом сервомотора, то для управления BLDC двигателем мы можем использовать библиотеку для управления сервомоторами. Если вы не сталкивались с этим принципом ранее, то вы можете прочитать статью о подключении сервомотора к плате Arduino.

Battery Eliminator Circuit (BEC) – цепь, исключающая батарею . Почти все контроллеры ESC поставляются с этой схемой. Как следует из ее названия, данная схема устраняет потребность в использовании отдельной батареи для питания микроконтроллера, то есть в данном случае нам не понадобится отдельный источник питания для платы Arduino – контроллер ESC сам обеспечит плату Arduino регулируемым напряжением питания +5V. В различных контроллерах ESC используются различные схемы регулировки данного напряжения, но в большинстве случаев распространена схема с линейной регулировкой.

Встроенное ПО . Каждый контроллер ESC содержит в своем ПЗУ встроенную прикладную программу, написанную производителем контроллера. Эта программа во многом определяет логику функционирования контроллера. Наиболее популярными встроенными программами для контролеров ESC являются Traditional, Simon-K и BL-Heli. Эта программа может изменяться пользователем, однако мы в этой статье не будем рассматривать данный вопрос.

Некоторые термины, используемые в тематике BLDC и ESC

При изучении принципов работы BLDC двигателей и контроллеров ESC вы можете столкнуться с некоторыми терминами, используемыми в данной тематике. Кратко рассмотрим основные из этих терминов.

Braking (торможение) – определяет насколько быстро BLDC двигатель может остановить свое вращение. Это особенно актуально для летающих средств (дронов, геликоптеров и т.д.) поскольку они вынуждены часто изменять количество оборотов двигателя в минуту чтобы маневрировать в воздухе.

Soft Start (плавный пуск, старт) – эта способность особенно важна для BLDC двигателей когда вращающий момент от него на исполнительный механизм (колесо, винт и т.д.) передается через механизм передач, обычно состоящий из шестерен. Плавный пуск означает, что двигатель не начнет сразу вращаться с максимальной скоростью, а будет увеличивать свою скорость вращения постепенно независимо от того, с какой скоростью нарастает управляющее воздействие. Плавный пуск значительно снижает износ шестерен, входящих в передаточный механизм.

Motor Direction (направление вращения двигателя) – обычно направление вращения BLDC двигателей не изменяется в процессе эксплуатации, однако во время сборки и тестирования работы изделия может потребоваться изменение направления вращения двигателя, обычно это можно сделать просто поменяв местами любые два провода двигателя.

Low Voltage Stop (остановка при низком напряжении питания) . Обычно BLDC двигатели калибруют так, чтобы при одинаковом уровне управляющего воздействия скорость его вращения была постоянной. Однако этого трудно достигнуть потому что со временем напряжение питающей батареи уменьшается. Чтобы предотвратить это обычно контроллеры ESC программируют таким образом чтобы они останавливали работу BLDC двигателя когда напряжение питающей батареи опускается ниже определенной границы. Особенно эта функция полезна при использовании BLDC двигателей в дронах.

Response time (время отклика, время реакции, время ответа) . Означает способность двигателя быстро изменять скорость вращения при изменении управляющего воздействия. Чем меньше время реакции, тем лучше контроль над двигателем.

Advance (движение вперед) . Эта проблема является своеобразной «ахиллесовой пятой» для BLDC двигателей. Все BLDC двигатели имеют хотя бы небольшой подобный баг. Эта проблема вызвана тем, что когда катушка статора запитана ротор движется вперед поскольку на нем есть постоянный магнит. И когда управляющее напряжение с этой катушки снимают (чтобы подать его на следующую катушку) ротор продвигается вперед немного дальше чем предусмотрено логикой функционирования двигателя. Это нежелательное продвижение двигателя вперед в англоязычной литературе называют “Advance” и оно может приводить к нежелательным вибрациям, нагреву и шуму при работе двигателя. Поэтому хорошие контроллеры ESC стараются по возможности устранить этот эффект в работе BLDC двигателей.

Работа схемы

Схема подключения BLDC двигателя и контроллера ESC к плате Arduino представлена на следующем рисунке.

Как видите, схема достаточно проста. Контроллеру ESC необходим источник питания с напряжением 12V и током как минимум 5A. Для питания схемы можно использовать адаптер или Li-Po батарейку. Три фазы (провода) BLDC двигателя необходимо подсоединить к трем выходным проводам контроллера ESC – неважно в каком порядке.

Предупреждение : у некоторых контроллеров ESC нет выходных проводов, в этом случае вам необходимо будет припаивать провода от BLDC двигателя к контактам контроллера ESC. Обязательно изолируйте эти оголенные места (пайки) с помощью изоляционной ленты потому что через эти провода возможно протекание достаточно больших токов и любое короткое замыкание может привести к повреждению двигателя и контроллера ESC.

Схема BEC (Battery Eliminator circuit) в контроллере ESC будет самостоятельно обеспечивать (регулировать) постоянное напряжение +5V, поэтому его можно непосредственно использовать для питания платы Arduino. Для управления скоростью вращения двигателя в схеме используется потенциометр, подключенный к контакту A0 платы Arduino.

Внешний вид собранной конструкции показан на следующем рисунке.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы рассмотрим только его основные фрагменты.

Для управления BLDC двигателем мы будем формировать ШИМ сигнал с частотой 50 Гц и изменяемым от 0 до 100% коэффициентом заполнения. Значение коэффициента заполнения будет управляться с помощью потенциометра. То есть, вращая потенциометр, мы будем управлять скоростью вращения двигателя. Как уже указывалось, управление BLDC двигателем очень похоже на управление сервомотором с помощью ШИМ 50 Гц, поэтому в данном случае мы будем использовать ту же самую библиотеку, которую использовали для управления сервомотором. Если вы начинающий в изучении платформы Arduino, то перед дальнейшим прочтением данной статьи рекомендуем вам изучить принципы формирования ШИМ сигнала в Arduino и подключение сервомотора к плате Arduino.

ШИМ сигнал можно генерировать только на тех цифровых контактах платы Arduino, которые обозначены символом

. В нашей схеме мы будем управлять контроллером ESC с контакта 9 платы Arduino, поэтому следующей командой мы прикрепим контроллер ESC к этому контакту: