Подробное объяснение бесщеточного моторного контроллера (ESC)

 

При обсужденииБесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), мы часто сосредотачиваемся на его скорости, крутящем моменте, плотности мощности и других аппаратных параметрах, но склонны упускать из виду не менее критический компонент - бесщеточный контроллер двигателя (электронный контроллер скорости, ESC в течение короткого времени), также известный как электронный контроллер скорости.

 

Фактически, можно ли полностью использовать производительность бесщеточного двигателя, зависит от контроллера, которым он оснащен. Можно сказать, что ESC - это не только мозг двигателя, но и определяющий фактор эффективности отклика и стабильности всей системы.

1. Основное определение ESC: «мозг», который контролирует скорость двигателя

ESC - это электронный модуль цепи, специально разработанный для бесщеточных двигателей. Его основная задача состоит в том, чтобы получить сигналы от основной платы управления, удаленного управления или хост-компьютера, а также преобразовать их в сигналы напряжения и коммутации привода для трехфазного обмотки двигателя, тем самым достигая точного управления скоростью, направлением и запуска/тормозом.

 

Он подключен между источником питания, бесщеточным двигателем и основной системой управления, действуя как мост, регулируя выходной сигнал и режим коммутации в режиме реального времени, и является незаменимой частью бесщеточной двигательной системы.

 

2. Функциональные модули ESC Core Core

• Зрелый ESC может не только завершить базовый запуск и работу двигателя, но также интегрировать различные ключевые функциональные модули, включая:
• Трехфазный контроль коммутации: в соответствии с сигналом обратной связи зала или обратной связи с обратной связью, позиция ротора определяется для достижения эффективной коммутации;
• Регулирование скорости: отрегулируйте частоту и рабочее цикл привода в соответствии с входными сигналами, такими как PWM/Analog/UART;
• Защита от тока и напряжения: обнаружение тока двигателя и напряжения аккумулятора, чтобы избежать перегрузки, рисков занижного напряжения и короткого замыкания;
• Логика старта-стоп и тормоза: поддержка мягкого старта, быстрого торможения, обратного и других стратегий управления;
• Функция обратной связи состояния: Высококачественный ESC может обеспечить обратную связь с скоростью, током, током, температурой и другими параметрами для облегчения формирования системы управления замкнутым контуром.

 

3. Почему контроллер двигателя определяет верхний предел производительности двигателя?

Вы можете спросить: разве двигатель не является основным оборудованием? Контроллер действительно так важен?

Это точно. Алгоритм управления и точность ответа ESC напрямую определяют, работает ли двигатель «умно» и «плавно». Проще говоря:

• Если алгоритм управления не является точным, скорость подвержена колебаниям, а эффективность низкая;
• Если частота вождения не высока, двигатель будет генерировать больший шум и механическое напряжение;
• Если алгоритмы высокого порядка, такие как FOC, не поддерживаются, двигателю трудно достичь высокого контроля крутящего момента/положения.

Другими словами, производительность одного и того же бесщеточного двигателя может сильно различаться при движении различных контроллеров.

Вот почему в таких ситуациях с высоким спросом, как авиационные беспилотники, роботы и медицинское оборудование, выбор и отладка контроллеров занимает много энергии в разработке системы.

-- Анализ трех общих методов управления

Ключом к управлению бесщеточным двигателем (BLDC) является то, как «привести» его к правильному вращению. Поскольку сам без щеткий двигатель не имеет кистей и коммутаторов, он должен полагаться на внешний контроллер (ESC), чтобы точно дать трехфазную последовательность энергии катушки в соответствии с положением ротора. Этот процесс называется электронной коммутацией.

 

Различные методы управления будут влиять на эффективность, шум, сглаживание сглаживания и скорость отклика двигателя. В настоящее время существуют три основных метода управления бесщеточным двигателем: шестиступенчатое управление квадратной волной, контроль синусоидальной волны и полевое управление (FOC). Давайте посмотрим на них один за другим.

 

1. Шестиэтапный контроль квадратной волны: экономичный, практичный, быстрый ответ

Шестиэтапное управление квадратной волной (также называемое управлением трапециеидальной волной или контролем ловушек) является наиболее распространенным и самым низким методом управления и широко используется в электроинструментах, дронах, охлаждающих вентиляторах и других продуктах.

 

принцип:

В одном электрическом цикле контроллер делит трехфазную обмотку двигателя на шесть состояний в фиксированной последовательности и по очереди циркулирует мощность (повернут две фазы, а одна фаза отключается каждый раз), образуя простое вращательное магнитное поле, тем самым приводя к движению ротор.

 

преимущество:

• Алгоритм прост и имеет низкие требования к аппаратному обеспечению
• Быстрый ответ, подходит для сценариев мгновенного ускорения/замедления
• Низкая стоимость, подходит для крупномасштабных потребительских приложений

 

недостаток:

• При переключении фаз ток внезапно меняется, что легко генерировать электромагнитный шум и вибрацию
• Эффективность не так хороша, как контроль синусов, особенно на низкой скорости.
• Не подходит для оборудования с строгими требованиями к шуму и вибрации

2. Синусоидальный контроль волны: более гладкий и тише

Управление синусоидальной волной, как следует из названия, делает трехфазной формы волны тока как можно ближе к синусоидальной волне, что может привести к более непрерывному и стабильному вращающемуся магнитному полю. Он более продвинутый, чем контроль квадратных волн и широко используется в оборудовании, которое требует стабильности и контроля шума, таких как медицинское оборудование, электромобили, промышленные вентиляторы и т. Д.

 

принцип:

Посмотрев таблицу или выполняя расчеты в реальном времени, контроллер точно модулирует трехфазный ток в соответствии с положением ротора в каждый момент, так что он образует синусоидальную волну с разностью фаз 120 градусов, что приводит к плавному вращению ротора.

 

преимущество:

• Уменьшить мутацию тока во время коммутации, значительно снижает шум и вибрацию
• Более плавный процесс стартовой стоп, подходящий для применений с высокими требованиями к комфорту
• Высокая эффективность, особенно в диапазоне средней и низкой скорости

 

недостаток:

• Высокие требования к текущему контролю формы волны, увеличению сложности и стоимости контроллера
• Точное обнаружение положения является основой (обычно требует датчика зала или энкодера)

3. CONC Control (управление ориентированием на поле): первый выбор для высокопроизводительных систем

FOC, также известный как полевый контроль, является высококачественной технологией управления двигателем. Он может точно синхронизировать ток и магнитное поле, тем самым достигая более эффективного и точного контроля крутящего момента. FOC стал основным решением в промышленных сервоприводах, роботах и ​​электромобилях.

 

принцип:

FOC преобразует трехфазный ток в компоненты оси D и оси Q в прямоугольной системе координат посредством математического преобразования (преобразование Clarke & Park), а затем независимо контролирует ток крутящего момента и ток возбуждения для достижения более точного управления магнитным полем. Затем контроллер генерирует выход сигнала ШИМ через обратное преобразование.

 

преимущество:

• Очень точный контроль крутящего момента и контроль скорости может быть достигнут
• Быстрый отклик системы, отличная динамическая производительность, более плавный стартап
• Текущая форма волны является более синусоидальной, повышает эффективность и снижает потребление энергии
• Может использоваться в сервоприводах с замкнутым контуром в сочетании с кодерами для достижения управления позиционированием

 

недостаток:

• Алгоритм сложный, и контроллер требует сильной мощности обработки (например, высокопроизводительный MCU)
• Отладка трудна, а начальные затраты на разработку и инвестиции времени высоки

 

Резюме: различные методы управления подходят для разных сценариев применения

Метод управления	Функции	Применимые сценарии
Шестиэтапное управление квадратной волной	Простой, быстрый ответ, низкая стоимость	Дроны, электроинструменты, вентиляторы
Синусоидальный контроль	Низкий шум, хорошая стабильность	Медицинское оборудование, электромобили, домашние приборы
FOC CONTROL	Высокая точность и высокая эффективность	Промышленные сервоприводы, роботы, оборудование для автоматизации

 

Выбор правильного метода управления зависит от требований вашего приложения, бюджета и ожиданий для эффективности системы. Если вы ищете точность управления, эффективность работы или опыт низкого шума, выбор метода управления даже более важен, чем сам двигатель.

 

После понимания логики управления контроллером бесщеточного двигателя (ESC) нам также необходимо понять его внутреннюю структуру и то, как она общается с внешними устройствами. Это содержимое полезно не только для разработчиков продуктов, но и помогает пользователям определить, подходит ли контроллер для их приложения.

 

1. Основные компоненты контроллера

Несмотря на то, что на рынке есть много типов бесщеточных контроллеров двигателя, основная структура большинства ESCS примерно одинакова, в основном, включая следующие модули основных модулей:

(1) Основной контрольный чип (MCU)

Основным контрольным чипом является «мозг» контроллера, ответственный за получение инструкций, алгоритмы коммутации обработки, модулирующие выходные сигналы и т. Д. Общие чипы включают STM32, Ti C2000, NXP и т. Д. Производительность чипа определяет точность управления, поддерживаемые типы алгоритмов (такие как FOC), возможности связи и т. Д.

 

(2) Трудовая цепь

Схема привода отвечает за усиление сигнала управления ШИМ, отправленного основным управляющим чипом, и управления MOSFET или устройством IGBT, чтобы обеспечить высокое напряжение мощности для трехфазной обмотки. Эта часть также называется «Стадия силы».

 

(3) Модуль обнаружения тока и напряжения

Используется для мониторинга тока и напряжения в реальном времени во время работы двигателя. Если ток слишком высок или напряжение слишком низкое, контроллер может вовремя предпринять защитные действия, чтобы предотвратить сжигание или потерю контроля двигателя. Датчики тока зала или шунтирующие резисторы обычно используются для обнаружения тока.

 

(4) Модуль управления питанием

Преобразует основную мощность высокого напряжения (такую ​​как 12 В, 24 В, 48 В и т. Д.) В низкое напряжение (например, 3,3 В или 5 В), требуемое цепью управления. Обычно включает в себя компоненты, такие как преобразователь DC-DC и регулятор напряжения для обеспечения стабильной работы системы.

 

(5) Интерфейс сигнала и цепь защиты

Отвечает за связь с внешними устройствами, включая команды ввода и сигналы статуса обратной связи. Кроме того, ESC часто разрабатывается с защитой от перенапряжения, защитой от обороты, электростатической защитой ESD и другими цепями для повышения надежности системы.

2. Методы ввода и протоколов связи общего сигнала и протоколы связи

ESC необходимо определить, как управлять двигателем на основе сигналов, отправленных внешними устройствами (например, основная плата управления, пульт дистанционного управления, ПЛК). Следовательно, он должен поддерживать несколько методов ввода и протоколов связи. Ниже приведены текущие основные:

 

(1) Сигнал ШМ (наиболее распространенный)

• Принцип: контроль скорости, изменяя отношение времени высокого уровня (рабочее цикл)
• Применение: модели дистанционного управления, управление вентилятором, электрические скейтборды и т. Д.
• Особенности: простая в использовании, сильная совместимость, но не может пройти сложные инструкции

 

(2) Сигнал PPM (многоканальный синтез)

• Принцип: объединить несколько сигналов ШИМ в одну линию для передачи, подходящая для системы дистанционного управления
• Приложение: Многородная беспилотная система, система дистанционного управления
• Особенности: Сохраните кабели, подходящие для многоканального управления

 

(3) серийная связь UART

• Принцип: Инструкции по передаче и данные (такие как скорость, режим, параметры) в текстовом формате
• Применение: промышленная автоматизация, разработка роботов
• Особенности: Поддержка двусторонней связи, удобная для отладки и обратной связи с статусом

 

(4) BAN BUB (Сеть контроллера)

• Принцип: Несколько устройств делятся шиной и используйте структуру кадра для передачи инструкций и информации о обратной связи
• Применение: автомобиль, промышленный робот, автомобиль AGV
• Особенности: стабильный и надежный, сильный противоположный

 

(5) I²C Communication

• Принцип: Структура мастер-солевой, две сигнальные линии для завершения двусторонней связи
• Приложение: небольшие интеллектуальные устройства, интегрированные системы датчиков
• Особенности: занимает меньше штифтов, умеренная скорость передачи, но расстояние не должно быть слишком далеко

 

(6) вход аналогового напряжения

• Принцип: регулировка скорости до 05 В или 03,3 В аналоговый сигнал
• Применение: простое промышленное оборудование, старые системы управления
• Особенности: подходит для случаев с низкой точностью контроля, легко интегрируйте

 

3. Тенденции: разведка, сеть и поддержка мультипротокола

Modern ESC-это не только «исполнитель», который выполняет инструкции управления, но также обладает все большим количеством возможностей, таких как интеллектуальное суждение, саморегулирование параметров и обратная связь статуса работы. Например:

• Обратная связь по мониторингу состояния: обратная связь скорости в режиме реального времени, тока, напряжения, температуры и т. Д.
• Удаленная конфигурация: настраивайте параметры PID и стратегии управления онлайн через последовательный порт или Can Can Can
• Совместимость с несколькими протоколами: один ESC поддерживает как PWM, так и UART, облегчая совместимую интеграцию различных систем

В промышленных или интеллектуальных приложениях роботов этот тип «умного» контроллера становится основным.

 

-- Пользовательские диски и глобально доверенные производственные возможности

Если вы ищете высококачественноеБесстраночный производитель двигателя, VSD Motor - ваш выбор.Мы сосредоточены на исследованиях и разработках и производстве бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC)и стремятся предоставить стабильные и надежные решения для различных промышленных, робототехники, медицинского оборудования и других сценариев применения.

 

Наши основные возможности включают:

Различные структурные варианты: внутренний ротор, внешний ротор, плоский тип и другие конструкции доступны

Высокий процесс производства: автоматическая обмотка, динамическая баланс

Надежный контроль качества: продукты сертифицированы CE и ROHS, и проходят строгие испытания старения

Индивидуальная служба: размер, длина вала, метод установки, интерфейс жгута проводки и т. Д. Может быть отрегулирован по мере необходимости

 

Продукты VSD были экспортированы в Европу, Северную Америку, Юго -Восточную Азию и другие регионы и широко признаны клиентами по всему миру. Мы также приветствуем сотрудничество OEM/ODM, чтобы совместно разработать моторные продукты, подходящие для сегментированных сценариев.