Spiegazione dettagliata del controller del motore senza spazzole (ESC)

 

Quando si discuteBrushless DC Motors (BLDC), spesso ci concentriamo sulla sua velocità, coppia, densità di potenza e altri parametri hardware, ma tendiamo a trascurare un componente altrettanto critico: il controller del motore senza spazzole (controller di velocità elettronica, ESC in breve), noto anche come controller di velocità elettronica.

 

In effetti, se le prestazioni di un motore senza spazzole possono essere completamente utilizzate dipende dal controller di cui è dotato. Si può dire che ESC non è solo il cervello del motore, ma anche il fattore determinante dell'efficienza di risposta e della stabilità dell'intero sistema.

1. Definizione di base di ESC: il "cervello" che controlla la velocità del motore

ESC è un modulo a circuito elettronico appositamente progettato per motori senza spazzole. Il suo compito principale è quello di ricevere segnali dalla scheda di controllo principale, dal telecomando o dal computer host e convertirli in segnali di tensione di azionamento e commutazione per l'avvolgimento trifase del motore, ottenendo così un controllo preciso della velocità, della direzione e del freno del motore.

 

È collegato tra l'alimentazione, il motore senza spazzole e il sistema di controllo principale, fungendo da ponte, regolando l'uscita energetica e la modalità di commutazione in tempo reale ed è una parte indispensabile del sistema motorio senza spazzole.

 

2. Esc Core Functional Moduli

• Un ESC maturo non può solo completare l'avvio e il funzionamento di base del motore, ma integra anche una varietà di moduli funzionali chiave, tra cui:
• Controllo della commutazione trifase: secondo il segnale di feedback Hall o Back-EMF, la posizione del rotore è determinata per ottenere una commutazione efficiente;
• Regolazione della velocità: regolare la frequenza di azionamento e il ciclo di lavoro in base ai segnali di ingresso come PWM\/Analog\/UART;
• Protezione di corrente e tensione: rilevare la corrente del motore e la tensione della batteria per evitare rischi di sovracorrente, sottopostazione e corto circuito;
• Logica di start-stop e freno: supportare il soft start, la frenata veloce, il retro e altre strategie di controllo;
• Funzione di feedback dello stato: ESC di fascia alta può fornire un feedback in tempo reale di velocità, corrente, temperatura e altri parametri per facilitare la formazione di un sistema di controllo a circuito chiuso.

 

3. Perché il controller del motore determina il limite superiore delle prestazioni del motore?

Puoi chiedere: il motore non è l'hardware principale? Il controller è davvero così importante?

Questo è certo. L'algoritmo di controllo e l'accuratezza della risposta dell'ESC determinano direttamente se il motore funziona "in modo intelligente" e "senza intoppi". In termini semplici:

• Se l'algoritmo di controllo non è accurato, la velocità è soggetta a fluttuazioni e l'efficienza è bassa;
• Se la frequenza di guida non è alta, il motore genererà rumore e sollecitazione meccanica;
• Se gli algoritmi di alto ordine come FOC non sono supportati, è difficile per il motore ottenere un controllo di coppia\/posizione ad alta precisione.

In altre parole, le prestazioni dello stesso motore senza spazzole possono variare notevolmente se guidate da controller diversi.

Questo è il motivo per cui in situazioni ad alte richieste come droni aeronautici, robot e attrezzature mediche, la selezione e il debug dei controller occupano molta energia nello sviluppo del sistema.

-- Analisi di tre metodi di controllo comuni

La chiave per controllare un motore senza spazzole (BLDC) è come "guidarlo" per ruotare correttamente. Poiché il motore senza spazzole stesso non ha pennelli e commutatori, deve fare affidamento su un controller esterno (ESC) per dare accuratamente la sequenza di energizzazione della bobina trifase in base alla posizione del rotore. Questo processo si chiama commutazione elettronica.

 

Diversi metodi di controllo influenzeranno l'efficienza, il rumore, la scorrevolezza e la velocità di risposta del motore. Esistono attualmente tre metodi di controllo del motore senza spazzole tradizionali: controllo delle onde quadrate a sei fasi, controllo delle onde sinusoidali e controllo orientato al campo (FOC). Diamo un'occhiata a loro uno per uno.

 

1. Controllo delle onde quadrate a sei fasi: risposta economica, pratica, rapida

Il controllo delle onde quadrate a sei fasi (chiamato anche controllo delle onde trapezoidali o controllo trap) è attualmente il metodo di controllo più comune e più basso ed è ampiamente utilizzato in utensili elettrici, droni, ventole di raffreddamento e altri prodotti.

 

principio:

In un ciclo elettrico, il controller divide l'avvolgimento trifase del motore in sei stati in una sequenza fissa e fa circolare la potenza a sua volta (vengono attivate due fasi e una fase viene scollegata ogni volta), formando un semplice campo magnetico rotante, spingendo così il rotore per muoversi.

 

vantaggio:

• L'algoritmo è semplice e ha bassi requisiti hardware
• Risposta rapida, adatta per scenari di accelerazione\/decelerazione istantanea
• A basso costo, adatto per applicazioni di consumo su larga scala

 

difetto:

• Quando si commutano le fasi, la corrente cambia improvvisamente, il che è facile da generare rumore elettromagnetico e vibrazioni
• L'efficienza non è buona come il controllo delle onde sinusoidali, specialmente a bassa velocità.
• Non è adatto per l'attrezzatura con requisiti rigorosi su rumore e vibrazione

2. Controllo delle onde sinusoidali: più fluido e più tranquillo

Il controllo delle onde sinusoidali, come suggerisce il nome, rende la forma d'onda di corrente trifase il più vicino possibile a un'onda sinusoidale, che può produrre un campo magnetico rotante più continuo e stabile. È più avanzato del controllo delle onde quadrate ed è ampiamente utilizzato nelle attrezzature che richiedono stabilità e controllo del rumore, come attrezzature mediche, veicoli elettrici, ventilatori industriali, ecc.

 

principio:

Cercando una tabella o eseguendo calcoli in tempo reale, il controller modula accuratamente la corrente trifase in base alla posizione del rotore in ciascun momento, in modo che formi un'onda sinusoidale con una differenza di fase di 120 gradi, spingendo il rotore a ruotare senza intoppi.

 

vantaggio:

• Ridurre la mutazione di corrente durante la commutazione, ridurre significativamente il rumore e le vibrazioni
• Processo start-stop più fluido, adatto per applicazioni con elevati requisiti di comfort
• Alta efficienza, specialmente nella gamma media e a bassa velocità

 

difetto:

• Requisiti elevati per il controllo della forma d'onda corrente, aumento della complessità del controller e dei costi
• Il rilevamento accurato della posizione è la base (di solito richiede sensore o encoder Hall)

3. Controllo FOC (controllo orientato al campo): la prima scelta per i sistemi ad alte prestazioni

FOC, noto anche come controllo orientato al campo, è una tecnologia di controllo motorio di fascia alta. Può sincronizzare con precisione la corrente e il campo magnetico, raggiungendo così un controllo della coppia più efficiente e accurato. FOC è diventato la soluzione mainstream nei servi sistemi, robot e veicoli elettrici industriali.

 

principio:

FOC converte la corrente trifase nei componenti dell'asse D e dell'asse Q in un sistema di coordinate rettangolari attraverso la trasformazione matematica (Clarke & Park Transformation), quindi controlla in modo indipendente la corrente di coppia e la corrente di eccitazione per ottenere un controllo del campo magnetico più preciso. Il controller genera quindi un'uscita del segnale PWM attraverso la trasformazione inversa.

 

vantaggio:

• È possibile ottenere un controllo di coppia e un controllo della velocità molto preciso
• Risposta rapida del sistema, eccellenti prestazioni dinamiche, start-up più fluida
• L'attuale forma d'onda è più sinusoidale, migliorando l'efficienza e riducendo il consumo di energia
• Può essere utilizzato nei servi sistemi a circuito chiuso in combinazione con gli encoder per ottenere il controllo del posizionamento

 

difetto:

• L'algoritmo è complesso e il controller richiede una forte potenza di elaborazione (come MCU ad alte prestazioni)
• Il debug è difficile e i costi di sviluppo iniziale e gli investimenti del tempo sono elevati

 

Riepilogo: diversi metodi di controllo sono adatti per diversi scenari di applicazione

Metodo di controllo	Caratteristiche	Scenari applicabili
Controllo delle onde quadrate a sei fasi	Risposta semplice, rapida, a basso costo	Droni, utensili elettrici, fan
Controllo delle onde sinusoidali	Basso rumore, buona stabilità	Attrezzature mediche, veicoli elettrici, elettrodomestici
Controllo FOC	Alta precisione e alta efficienza	Servi industriali, robot, attrezzature di automazione

 

La scelta del metodo di controllo giusto dipende dai requisiti dell'applicazione, dal budget e dalle aspettative per le prestazioni del sistema. Se stai cercando precisione di controllo, efficienza operativa o esperienza a basso rumore, la scelta del metodo di controllo è ancora più importante del motore stesso.

 

Dopo aver compreso la logica di controllo del controller del motore senza spazzole (ESC), dobbiamo anche comprendere la sua struttura interna e come comunica con dispositivi esterni. Questi contenuti non sono utili solo per gli sviluppatori di prodotti, ma aiutano anche gli utenti a determinare se un controller è adatto alla loro applicazione.

 

1. Componenti core del controller

Sebbene ci siano molti tipi di controller motori senza spazzole sul mercato, la struttura di base della maggior parte degli ESC è all'incirca la stessa, principalmente includendo i seguenti moduli core:

(1) Chip di controllo principale (MCU)

Il chip di controllo principale è il "cervello" del controller, responsabile della ricezione di istruzioni, degli algoritmi di commutazione di elaborazione, dei segnali di output modulanti, ecc. I chip comuni includono STM32, TI C2000, NXP, ecc. La performance del chip determina l'accuratezza del controllo, i tipi di algoritmo supportati (come FOC), le capacità di comunicazione, ecc.

 

(2) Circuito di guida

Il circuito di azionamento è responsabile dell'amplificazione del segnale di controllo PWM inviato dal chip di controllo principale e della guida del dispositivo MOSFET o IGBT per fornire un'alta tensione di potenza all'avvolgimento trifase. Questa parte è anche chiamata "Power Stage".

 

(3) Modulo di rilevamento di corrente e tensione

Utilizzato per monitorare la corrente e la tensione in tempo reale durante il funzionamento del motore. Se la corrente è troppo alta o la tensione è troppo bassa, il controller può intraprendere un'azione protettiva in tempo per impedire al motore di bruciare o perdere il controllo. I sensori di corrente di Hall o i resistori di shunt sono generalmente utilizzati per rilevare la corrente.

 

(4) Modulo di gestione dell'alimentazione

Converte la potenza principale ad alta tensione (come 12 V, 24 V, 48 V, ecc.) A bassa tensione (come 3,3 V o 5 V) richiesta dal circuito di controllo. Di solito include componenti come il convertitore DC-DC e il regolatore di tensione per garantire un funzionamento stabile del sistema.

 

(5) Interfaccia del segnale e circuito di protezione

Responsabile della comunicazione con dispositivi esterni, incluso l'inserimento di comandi e segnali di stato di feedback. Inoltre, ESC è spesso progettato con protezione da sovratensione, protezione da sovratemperatura, protezione elettrostatica ESD e altri circuiti per migliorare l'affidabilità del sistema.

2. Metodi di input del segnale comuni e protocolli di comunicazione

ESC deve determinare come guidare il motore in base ai segnali inviati da dispositivi esterni (come la scheda di controllo principale, telecomando, PLC). Pertanto, deve supportare più metodi di input e protocolli di comunicazione. Di seguito sono riportati gli attuali mainstream:

 

(1) segnale PWM (più comune)

• Principio: controlla la velocità modificando il rapporto tempo di alto livello (ciclo di lavoro)
• Applicazione: modelli di controllo remoto, controllo della ventola, skateboard elettrici, ecc.
• Caratteristiche: facile da usare, forte compatibilità, ma non può passare istruzioni complesse

 

(2) segnale PPM (sintesi multicanale)

• Principio: combinare più segnali PWM in una riga per la trasmissione, adatto al sistema di controllo remoto
• Applicazione: UAV multi-rotore, sistema di controllo remoto
• Caratteristiche: Salva cavi, adatti per il controllo multicanale

 

(3) comunicazione seriale UART

• Principio: trasmettere istruzioni e dati (come velocità, modalità, parametri) in formato di testo
• Applicazione: automazione industriale, sviluppo dei robot
• Caratteristiche: Supporta la comunicazione a due vie, conveniente per il debug e feedback di stato

 

(4) Bus Bus (rete di area controller)

• Principio: più dispositivi condividono un bus e usano una struttura frame per trasmettere istruzioni e informazioni di feedback
• Applicazione: automobile, robot industriale, auto AGV
• Caratteristiche: stabile e affidabile, forte anti-interferenza, adatto al controllo multi-nodo in sistemi complessi

 

(5) Comunicazione I²C

• Principio: Struttura di Master-Slave, due linee di segnale per completare la comunicazione a due vie
• Applicazione: piccoli dispositivi intelligenti, sistemi integrati del sensore
• Caratteristiche: occupa meno pin, velocità di trasmissione moderata, ma la distanza non dovrebbe essere troppo lontana

 

(6) Ingresso di tensione analogica

• Principio: regolazione della velocità attraverso il segnale analogico 05V o 03.3V
• Applicazione: semplici attrezzature industriali, vecchi sistemi di controllo
• Caratteristiche: adatto per occasioni con requisiti di precisione a basso controllo, facile da integrare

 

3. Tendenze: intelligenza, networking e supporto multi-protocollo

Il moderno ESC non è solo un "esecutore" che esegue le istruzioni di controllo, ma ha anche sempre più capacità come il giudizio intelligente, l'auto-regolazione dei parametri e il feedback dello stato operativo. Per esempio:

• Feedback di monitoraggio dello stato: feedback di velocità in tempo reale, corrente, tensione, temperatura, ecc.
• Configurazione remota: regolare i parametri PID e le strategie di controllo online tramite porta seriale o CAN
• Compatibilità multi-protocollo: un ESC supporta sia PWM che UART, facilitando l'integrazione compatibile di diversi sistemi

Nelle applicazioni robot industriali o intelligenti, questo tipo di controller "intelligente" sta diventando mainstream.

 

-- Drive personalizzate e funzionalità di produzione di fiducia a livello globale

Se stai cercando di alta qualitàProduttore di motori senza spazzole, Il motore VSD è la tua scelta.Ci concentriamo sulla ricerca, lo sviluppo e la produzione di Brushless DC Motors (BLDC)e si impegnano a fornire soluzioni di energia stabili e affidabili per vari industriali, robotica, attrezzature mediche e altri scenari di applicazione.

 

Le nostre capacità fondamentali includono:

Varie opzioni strutturali: rotore interno, rotore esterno, tipo piatto e altri design sono disponibili

Processo di produzione ad alta precisione: avvolgimento automatico, regolazione del bilanciamento dinamico e processo di ispezione e test completo

Controllo di qualità affidabile: i prodotti sono certificati CE e ROHS e subiscono rigorosi test di invecchiamento

Servizio personalizzato: dimensioni, lunghezza dell'albero, metodo di installazione, interfaccia del cablaggio, ecc.

 

I prodotti VSD sono stati esportati in Europa, Nord America, Sud -est asiatico e altre regioni e sono ampiamente riconosciuti dai clienti di tutto il mondo. Diamo anche il benvenuto alla cooperazione OEM\/ODM per sviluppare congiuntamente prodotti motori adatti per scenari segmentati.