В этой статье мы обсудим что такое ESC регуляторы оборотов, что это такое и как они работают. Также расскажем, как правильно подобрать регуляторы оборотов и предложим вам на выбор несколько рекомендованных наименований регуляторов.

ESC — electronic speed controller, переводится как электронный контроллер скорости. В русскоязычном сообществе принято называть их как «регуляторы оборотов», в простонародье «регули» или «регуляторы».

Что делают ESC регуляторы оборотов и как они работают?

Какие задачи у ESC? Для понимания без углубления — все очень просто, регуляторы оборотов, исходя из названия — регулируют скорость оборотов двигателей ориентируясь на команды контроллера полета. Чем быстрее вращается двигатель, тем больше он создает тягу, тем быстрее летит квадрокоптер.

То, как ESC взаимодействуют с двигателями, влияет на скорость и тягу дрона, а также его поведение в воздухе.

На сайте miniquadtestbench.com, QuadMcFly при тестах обнаружил, что разница в тяге между лучшим регулятором и худшим составляет в пределах всего 20%. В сравнение могу привести выбор автомобиля среди различных марок и выбор хорошего регулятора даст вам столько же мощи как и правильно выбранный двигатель автомобиля (точнее, автомобиль с хорошим двигателем).

Как «общаются» регуляторы оборотов (ESC) с контроллером полета?

Для простого понимания — контроллер полета посредством специального протокола посылает данные регулятору оборотов, что нужно прибавить или убавить газ на двигателе. Но двигателю квадрокоптера нельзя просто подать напряжение, так как он трехфазный и требуется попеременно подавать напряжение на определенные участки обмотки. Этим и занимается регулятор оборотов. На нем есть микросхемы, которые называются Мосфеты (MOSFET), и эти платы выполняют роль ключей — открывают и закрывают подачу тока на определенные участки обмотки.

Как уже говорилось выше, для общения полетный контроллер — регулятор оборотов, используются протоколы. В списке ниже, ESC регуляторы оборотов поддерживают различные протоколы, например Dshot1200, Dshot600, Oneshot125, Multishot. Они отличаются скоростью обмена данными, чем выше скорость, тем быстрее будет отзыв двигателей на ваши команды.

Старайтесь выбирать регуляторы, которые поддерживают более современные протоколы, но при этом убедитесь, что ваш полетный контроллер тоже поддерживает этот протокол.

Как выбрать регулятор оборотов (ESC)

На что следует обратить внимание при выборе ESC регуляторов оборотов? Для новичка будет сложновато, но мы постараемся описать как можно подробнее и охватить все параметры. В любом случае, ниже будет список рекомендованных ESC, что существенно упростит вашу задачу по выбору.

В описании указывается как «Power rating» или «Constant». Для квадрокоптеров класса мини и микро(обычно мини дроны строятся на раме размером до 220мм. .) используются 3 основных номинальных мощности:

• <18А;

<18А: такие регуляторы используются на микро-дронах и мини, но с рамами до 180мм, так как с рамами выше вам просто не будет хватать мощностей.

20А: На мини-дронах чаще всего используют регуляторы на 20 ампер: то есть у вас рама 180-220 миллиметров и пропеллеры размером до 6 дюймов + аккумулятор 3-4S.

30А: Сейчас это стандарт для гоночных квадрокоптеров и с такими регуляторами вы получите отличный дрон для гонок и фристайла. Рамы можно использовать для гоночных размером до 250мм.

Есть регуляторы с еще большей мощностью, но это уже значительно выше цена, размер и вес.

Пиковая мощность или взрывная мощность

В описании указывается как «Burst power rating». Это количество мощности, которое регулятор сможет обработать в короткий промежуток времени. Это довольно важный параметр для гоночных мини дронов, так как часто на гоночных происходит резкое изменение скорости — сейчас вам нужно погасить скорость, чтобы пролететь препятствие и следом резко дать полный газ для ускорения.

Поддержка аккумуляторов

Все регуляторы из нашего списка поддерживают аккумуляторы LiPo 4-6S, но сейчас все чаще некоторые собирают дроны 5S и 6S, поэтому, если вы купите регулятор с поддержкой 6S, а сами соберете дрон на 3S, например, то это будет пустая трата денег. Какой у вас аккумулятор? Вот под такой и ищите регулятор, это тоже указывается в характеристиках, как указано на скрине выше.

Форм-фактор (размер)

Форм-факторы ESC регуляторов оборотов бывают 3 типов:

• Для крепления на лучах рамы;
• 4 в 1 — для крепления над или под полетным контроллером;
• Каждая плата регулятора имеет размер 35х35мм и собирается башней над полетным контроллером или под ним.

Чаще всего покупают регуляторы для крепления на лучах рамы, так как такие проще поменять в случае необходимости, да и проще следить за их состоянием. Крепятся они обычно пластиковыми стяжками:

4 в 1 — это одна большая плата размером с полетный контроллер, которая крепится над или под ним. Придумана для экономии места и веса и используется в основном на микро-дронах, но сейчас набирает популярность и на мини. Но есть один минус — если выйдет из строя один регулятор, придется менять всю плату целиком.

Отдельные регуляторы 35х35мм используются как раз для исключения проблемы выше и крепятся над или под полетным контроллером. Удобство в том, что ничего не висит на лучах рамы, особенно если рама маленькая с тонкими лучами. Если сгорит один регулятор — можно будет легко заменить его, в отличие от 4 в 1.

Вес

Каждый регулятор имеет свой вес, их 4 штуки — значит вес одного умножаем на 4. В этом плюсы 4 в 1 — плата весит меньше, чем по отдельности. Ищите наиболее легкие платы, чтобы дрон был наиболее маневренный. Здесь сэкономите, на камере сэкономите, на антеннах и так далее — в итоге сэкономите 50-100гр.

Прошивка регуляторов оборотов

Эта информация всегда пишется магазином. Самые известные:

• BLHeli. Пользовался популярностью в 2015-2016 годах. После чего эту прошивку заменила следующая версия — BLHeli_S. Сейчас не используется.
• BLHeli_S — создавался для контроллеров ВВ1 и ВВ2. Регулятор под управлением этой прошивки работает значительно плавнее. S — здесь обозначает ту самую «плавность».
• BLHeli_32 — в данный момент на большинстве регуляторов используется именно эта прошивка. Она распространяется с закрытым кодом и в ней уже есть возможность настроить в регуляторах телеметрию, настроить светодиоды и другое.
  Регуляторы с BLHeli_32 немного дороже, так как у них есть датчики и телеметрия. В гоночных дронах обычно эту «мишуру» не используют, но если вы хотите — то почему нет?)
• KISS — прошивка для регуляторов, которые работают с полетным контроллером KISS.
• SimonK — некогда популярная прошивка, которая теперь вышла из под контроля. Не рекомендуем покупать регуляторы с этой прошивкой.

Чип контроллера

Уже давно не является определяющим параметром, но в спецификациях иногда его указывают. У регуляторов BLHeli_S или BLHeli_32 с поддержкой DSHOT всегда хорошие чипы.

Провода

Оптимальным вариантом считается припаивание проводов мотора сразу к плате регулятора, но часто в продаже находятся регуляторы со своими проводами и приходится либо отпаивать их, либо паять провод-провод.

Аппаратный PWM драйвер

Если эта функция есть (ее может и не быть) на ваших регуляторах, то моторы станут работать на них немного тише и немного эффективнее. Также функция обеспечивает более точный контроль, но на практике это мало кто заметит.

Как это работает: управление скоростью вращения двигателей осуществляется путем повышения или понижения напряжения, подаваемого на моторы. Это регулируют полевые транзисторы (мосфеты), те самые квадратики на плате, они открываются и закрываются, управляя процессом вращения двигателя. Время открытого и закрытого состояния мосфетов напрямую зависит от подаваемой мощности.

Так вот, до недавнего времени, этот процесс управлялся только чипом, управляющим регулятором. KISS добавили еще один чип, который отвечает только за процесс выдачи сигнала.

Благодаря этому, регуляторы, а точнее моторы работали на них очень гладко и сообществу пилотов это очень понравилось.

Помимо KISS, аппаратный PWM драйвер есть и у регуляторов BLHeli_32.

Что еще нужно учитывать?

Параметры выше важные, но также нужно учитывать энергопотребление самих двигателей . Несомненно, что регуляторы на 30 Ампер покроют потребность почти всех двигателей и поэтому об этом было решено написать в конце, чтобы окончательно не запутать вас, потому что придется смотреть в таблицу с характеристиками двигателя:

Блок Load Current (A) — то есть, сколько в пиковой нагрузке будет потреблять двигатель. В нашем случае это Racerstar 2205 и в пике он потребляет 27.6 Ампер, что полностью покрывают регуляторы оборотов на 30 Ампер.

Ниже представляем вам список рекомендованных регуляторов оборотов, которые по нашему мнению заслуживают внимание и которые можно покупать, не опасаясь плохой работы. За цену ничего не можем сказать, так как курс рубля часто меняется, а наши друзья китайцы продают все в долларах.

Также, можете упростить себе задачу и искать регуляторы с прошивкой BLHeli_32 или _S (но S уже все же устаревшая прошивка на 2019 год) и с мощностью 20-30 Ампер. Если вы новичок, то таких параметров вам точно хватит, не ошибетесь.

Название	Мощность (Амперы)	Поддержка аккумуляторов	Цена за комплект (USD)	Прошивка	Магазин

Регуляторы оборотов — в англоязычном сообществе называются — Electric Speed Controller (электронный контроллер скорости) или сокращенно — ESC. Основная задача ESC – передача энергии от аккумулятора к бесколлекторному мотору. Потребность в их применении возникла вследствие некоторых особенностей БК — мотора. Вкратце говоря, аккумулятор отдает постоянный ток, а бесколлекторный мотор принимает трехфазный переменный ток.

Принцип работы

Связь с остальными компонентами мультикоптера.

На вход ESC подается напряжение с аккумулятора и сигналы от полетного контроллера, а на выход регулятор отдает управляющее напряжение для привода. Соответственно регулятор должен обеспечивать:

1. Совместимость с полетным контроллером.
2. Максимальный ток для мотора (рассчитывается из спецификаций мотора и пропеллера) плюс 20 – 30%.
3. Потребление тока меньше, чем ток, отдаваемый аккумулятором поделенный на количество ESC.

*Простейшая схема подключения.

Какие регуляторы бывают?

BEC и UBEC

Дополнительно к основной функции, регуляторы оборотов могут так же передавать питание к другим узлам дрона: полетному контроллеру, сервоприводам и так далее. Это достигается внедрением в регулятор блока исключения батареи — Battery Eliminator Circuit (далее как — BEC).

Использование BEC значительно упрощает конструкцию дрона, однако такая схема обладает рядом минусов. Блок исключения батареи может перегреваться при больших перепадах напряжения и больших нагрузках. К тому же регуляторы оборотов с BEC, как правило, стоят дороже, чем регуляторы без блока.

Согласитесь, логичнее и дешевле было бы сделать отдельно ESC и отдельно один BEC. Такое решение есть и называется оно универсальный блок исключения батареи (Universal Battery Eliminator Circuit, далее как — UBEC).

Преимущества UBEC

UBEC — подключается напрямую к аккумулятору и питает нужный узел дрона. Преимущества такого подхода весьма существенны:

1. Регуляторы оборотов будут меньше перегреваться, поскольку из них будет исключен BEC
2. UBEC обладают большим коэффициентом полезного действия
3. Следовательно из предыдущих двух пунктов UBEC способен отдавать больший ток с меньшим риском
4. Отсутствие переплаты за несколько лишних BEC, располагающихся в ESС. Для некоторых полетных контроллеров крайне не рекомендуется подключать больше одного ESC BEC
5. Меньший вес регуляторов

Виды BEC и их преимущества

BEC бывают двух видов: линейные (LBEC) и импульсные (SBEC).

1. Линейный преобразует энергию в тепло, а при перегреве отключается. Что может приводить к неприятным результатам: в лучшем случае коптер не сможет взлететь, а в худшем — неконтролируемое падение. В связи с чем стал применяться в сборке с сервоприводами, которые в свою очередь не потребляют много тока, не позволяя блоку перегреваться.
2. Импульсный регулирует напряжение быстрым включением и выключением питания, такой подход исключил перегрев, повысил выходную мощность, и позволил достигать КПД 90%, а также импульсные BEC выигрывают у линейных в весе. Возникающие в цепи помехи, которые отрицательно сказываются на работе радио аппаратуры, исключаются добавлением LC — фильтра.

Учитывая то, что многие производители устанавливают на свои UBECLC фильтры (а, если фильтра все-таки нет, то его можно дешево купить и легко установить), профессионалы используют в своих коптерах именно регуляторы SBEC.

Программное обеспечение ESC

Поскольку регулятор оборотов выполняет некоторые преобразования с высокой частотой и может быть настроен на различные режимы работы для него пишут отдельный софт, называемый прошивкой. Это позволяет исправлять прошлые ошибки в алгоритмах управления, создавать более совершенные прошивки (и тем самым, например, уменьшать расходы аккумулятора на среднем газу) и производить гибкие настройки. В коптерах известных компаний типа DJI смена ПО регулятора происходит автоматически при помощи полетного контроллера.

Внимание! Перезапись ПО для регуляторов скорости может повлечь за собой поломки дрона различного характера, а так же снятие с гарантийного обслуживания! Помните, что вы делаете это на свой страх и риск!

Как сменить ПО?

Сменить программное обеспечение регулятора можно несколькими способами:

1. Используя специальную плату управления
2. Используя полетный контроллер
3. Используя ASP программатор

Третий вариант проще и в настоящее время активно внедряется в новые модели.

Выбор регулятора оборотов

Исходя из всего вышеперечисленного, можно выделить особые критерии выбора регулятора оборотов для дрона:

1. Совместимость с полетным контроллером. Полетный контроллер должен поддерживать BEC и прошивку ESC.
2. Совместимость со спецификациями мотора и аккумулятора.
3. Наличие или отсутствие BEС и его тип (LBEC или SBEC).
4. Теплоотвод и герметичность.

Возможно, кому-нибудь пригодится мой опыт создания регулятора скорости для радиоуправляемой модели.

Это было почти 15 лет тому назад, в то время были распространены коллекторные моторы. Бесколлекторные двигатели и контроллеры скорости только начинали появляться и стоили очень дорого. Тогда мне очень нужен был регулятор скорости (ESC) для коллекторного мотора радиоуправляемой машинки. Озадачился этим вопросом и нашел схему, которую самостоятельно мог бы собрать. Детали некоторые были в наличии, что-то прикупил в магазине радиодеталей, все вышло достаточно дешево. Сейчас стоимость нового регулятора не так высока, как раньше, порой бывает дешевле купить, но моделист не ищет легких путей.

Схема регулятора следующая.

Регулятор работает от 6 до 15 В. Управляющий канал 4,8 - 6 В

Контроллер решил сделать на монтажной плате. Хотя ее можно было и вытравить в кислоте (рисунок был). Для этого потребуется однослойный стеклотекстолит.

Транзисторы

T 1 = BD 676 или BD 678

T 2 = BD 675 или BD 677

T 3 = BD 676 или BD 678

T 4 = BD 675 или BD 677

Резисторы

P 2 = 250 кОм

Сопротивления

R 7 = 2.7 кОм

Конденсаторы

C 3 = 0,010 мФ

Микросхема

Первые тесты показали, что транзисторам приходится очень тяжело, в пиках наблюдались достаточно большие нагрузки. В связи с этим они были выпаяны с платы, приведенным в спецификации транзисторам подобраны более мощные аналоги по каталогу (КТ853В и КТ829А).

Так как при повышении нагрузок выделяется тепло, то его нужно куда-то отводить. Для этого подобрал радиатор. Радиатор использовал от компьютера, старый и ненужный все равно валялся без дела, а тут пригодился. Вентилятор с него решил не снимать, так как источник питания 12В, то подключил напрямую к силовой батарее. Транзисторы прикрутил к радиатору с помощью винтов.

Радиатор распилил на две части, это было необходимо по конструктиву схемы.

Длинные шпильки сверху держат кулер, а с другой стороны прижимают к радиатору транзисторы для эффективного охлаждения. Снизу в качестве изолятора закрепил пластинку стеклотекстолита.

Регулятор нужно откалибровать с помощью переменных резисторов, они позволяют настроить регулятор. Первый отвечает за нулевое значение, второй за максимальный газ. Переводим стик газа в соответствующую позицию и настраиваем регулятор.

В собранном виде все выглядит так.

Для создания миниатюрных моделей с малыми нагрузками охлаждение не требуется. Контроллер без радиатора получился размером 25 Х 25 мм, что достаточно компактно.

Если ESC подвергать высоким нагрузкам, то, безусловно, требуется система охлаждения.

Данный регулятор был установлен на радиоуправляемую машинку вместо электро-механического переключателя. В целом регулятор оправдал ожидания и до сих пор выполняет свою функцию.

После года зксплуатации накопилась куча сгоревших регуляторов.30 ампер simonk красные (кирпич),и такие желтые
Появился вопрос отремонтировать, или выбросить? А почему не попробовать отремонтировать, итак.

Желтые регуляторы такие

Начинаем диагностику с описания неисправности. Берем последний аппарат коптер сразу видим неадекватное поведение. Или его крутит, или переворачивает. При этом заметил один мотор стартует с запаздыванием. Это назовем первый вариант. Второй вариант при старте один из моторов не крутится, дрыгается так как будто обрыв обмоток. Потрогал пальцами мотор теплый, регулятор просто раскаленый. Третий вариант из регулятора идет дым мотор не крутится. В таком случае выключить сразу не удается, один из транзисторов горит так, что раскаляет печатную плату.
Плато регулятора четырех слойная прогорает насквозь ремонту не подлежит выглядит так
При этом транзистор трескается, отваливаются ножки, горит как сварка, плавит все проводники. Годится только на разборку. Из 5 вольтовых стабилизаторов можно собрать bec на 3 ампера такой, простая схема


Все 4 элемента соединяем параллельно.
Первый вариант рассматривать подробно не будем так как он является частью второго.
Итак, второй вариант. Берем регулятор, срезаем шубу, смотрим
Видим выводы ножек транзисторов. Не разбирая берем тестер, замеряем сопротивление переходов Уже можно сделать выводы средний транзистор исправный назовем вторая фаза, так как в фазе включено 2 транзистора и мы замеряем сопротивление схемы двух транзисторов, первый и третий пробиты, но не полностью транзисторы прогореть не успели, успели выключить, плато не прогорело, можно заняться ремонтом. Сразу упомянем первый вариант:
В случае когда двигатель продолжал работать, неисправным оказалась только первая фаза. Вторя, третья исправны. И еще при старте двигатель пропел песню как то слабо. При работе, на самолетах заметно снижение тяги. Сопротивление переходов такое же.
Отрываем пластину радиатора, приклеена теплопроводным герметиком, или резиновая теплопроводная прокладка стоит.


Очищаем от клея замеряем транзистры первого ряда



Красные, черные стрелки это щупы тестера. 2 ома это проводимость в обе стороны, то есть замыкание, пробой транзистора. Как же тогда звонится исправный транзистор? Исправный проверяется отпаяным от платы. неисправный так:

знак бесконечность это значит обрыв, 2ома замыкание, пробой.
это только один вариант сгоревшего. Может быть пробой всех выводов, или обрыв всех выводов, или проводимость частичная, отличная от исправного.

Еще забыл написать важную информацию. Второй вариант неисправности, когда двигатель не крутился, дрыгался. В выключенном состоянии если пальцами крутить двигатель чувствовалось явное сопротивление, по сравнению с остальными моторами. Объясняется просто. двигатель с магнитами это генератор, при вращении наводится эдс идукции в обмотке, через пробитые фазы ток замыкается, что и создает сопротивление.

Если вы когда-либо задумывались над тем, для чего нужны разные компоненты контроллера, то в статье Джонатана Фелдкампа из Castle Creations вы узнаете о назначении его компонентов, а так же о том как осуществляется управление двигателем. Обладая этими знаниями вы будете лучше понимать какие технологии используются в контроллерах и сможете лучше подобрать модель, подходящую для вашего применения.

Примечание к переводу:

• Аббревиатура ESC (Electric speed controller — Электронный крнтроллер скорости) будет часто заменяться на слово контроллер.
• Аббревиатура BEC (Battery eliminator circuit) будет заменяться на регулятор.
• Аббревиатура MOSFET(FET) (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor полевые транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник) будет заменяться на слово ключ.

Основные компоненты и их назначение.

Задача контроллера состоит в том, что бы передать энергию постоянного тока от аккумулятора к трехфазному бесколлекторному мотору. Прежде чем мы перейдем непосредственно к контроллеру, полезно будет посмотреть как устроен мотор с точки зрения электричества. Типичный бесколлекторный мотор имеет три обмотки (фазы), будем называть их A, B, C. Фазы могут быть соединены методом «звезда» и методом «дельта».

Схема подключения обмоток бесколлекторного мотора.

На картинке проводники образуют обмотки (фазы) и заканчиваются выводами. Хотя соединения обмоток сильно отличаются внешне, в плане электричества разница не большая.

Важно понимать, что все что мы делаем с фазами A и B, оказывает влияние на фазу С. Почему это важно, мы рассмотрим чуть позже. Так же обратите внимание, что в отсутствие каких-либо внешних сил (например, переменного магнитного поля), фазы это просто замкнутые куски провода, именно такими они являются для контроллера во время запуска мотора.

Работа контроллера заключается в том, чтобы передать мотору энергию батареи. Для передачи энергии контроллер использует MOSFET’ы — силовые ключи, которые могут открываться и закрываться за долю секунды. Условно схему бесколлектрной системы можно представить в сл. виде:

Картинка показывает, что закрывая ключи А и В, которые отмечены красной звездочкой, мы пускаем ток от точки +In через фазы А и В на землю. Ток, протекающий через фазы (они же обмотки), создает магнитное поле, которое притягивает или отталкивает магниты ротора и, таким образом, вызывает вращение.

MOSFET’ы (FET’ы)

Вызвать проворот мотора очень просто, можно просто подключить любые две фазы мотора напрямую к аккумулятору. (Очевидно, что делать этого не стоит, испортите батарею или мотор, если оставите батарею подключенной более чем на тысячную долю секунды. Отсюда следует еще одна из основных задач контроллера — ограничить ток протекающий через фазу при коммутации.) Фокус поддержания вращения в том, что бы открыть два нужных ключа в нужный момент времени и тут же закрыть ключи, пока ситуация не вышла из-под контроля. Пока ток протекает по обмотке, магнит ротора притягивается к обмотке (полюс S к N или N к S), тянет за собой ротор и поворачивает его. Как только магнит проходит обмотку, мы открываем другие ключи так, что бы теперь отталкивать магнит ротора (N от N или S от S) и проталкивать магнит по направлению вращения дальше от этой обмотки. Теперь повторите эту идею для всех трех обмоток и станет ясно, как заставить ротор с магнитами продолжать вращаться. Как только вращение началось, нам остается только переключать обмотки снова и снова, что бы поддерживать этот процесс. Для реального примера рассмотрите следующую фотографию типичного контроллера:

Ключи контроллера.

На фото хорошо видны шесть полевых транзисторов MOSFET, которые используются для включения и выключения фаз. Еще видны провод подключения к приемнику и большой конденсатор, который служит накопителем энергии для контроллера. Мелкие детали это различные фильтры, который нужны для правильной работы контроллера. Мощная пайка контактов обеспечивает протекание больших токов. На следующей иллюстрации поверх фотографии нанесено изображение ключей:

Схематическое изображение ключей.

Теперь, когда мы получили представление о том, как поддерживать вращение бесколлекторного мотора, давайте рассмотрим функциональную диаграмму всего контроллера. В контроллере выделяются четыре основных блока: силовые ключи MOSFET, цепь управления ключами, микропроцессор и цепь определения положения ротора. Схема показывает, как эти части соединены между собой.

Теперь у нас есть представление о том, как работает силовая часть регулятора: MOSFET’ы работают как ключи, открываясь и закрываясь они вызывают протекание тока через обмотки мотора. Иногда мощности одного ключа недостаточно, для мощных регуляторов используются несколько ключей включенных параллельно. Нагрев регулятора практически полностью вызван внутренним сопротивлением ключей, каждый раз увеличивая кол-во ключей на фазу в 2 раза мы соответственно снижаем общее сопротивление ключей в 2 раза. Как альтернативу использованию нескольких параллельных ключей, можно устанавливать более качественные ключи.

Цепь управления MOSFET’ами.

Управление ключами не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд. Если посмотреть на электрическую схему, мы обнаружим, что у ключей три контакта. Контакт, по которому ток втекает в транзистор, называется «исток», контакт, по которому ток вытекает, называется «сток», контакт, который отходит в сторону называется «затвор», это переключатель ключа. Для того, что-бы открыть ключ, необходимо на затвор подать напряжение на 5В-10В выше чем подведено к истоку транзистора. Для нижней части ключей (которые подключены к отрицательному контакту батареи) это относительно просто, нам надо подать всего 10 вольт. Для того, что бы открыть верхние ключи, которые подключены к положительному контакту батареи, нужно приложить напряжение на 10 вольт выше чем напряжение силовой батареи. К примеру, если у нас батарея LiPo 4S, к верхнему транзистору подведено напряжение 14.8В, но для того, что бы открыть ключ, к затвору нужно подвести напряжение в 25В. Разработчики регуляторов используют готовые блоки управления ключами, или разрабатывают собственные.

Блок определения положения ротора.

Для того, что бы знать, когда открывать и закрывать ключи, регулятор должен знать положение магнитов ротора вращающегося мотора. Это самая хитрая функция регулятора и именно поэтому раньше моторы и регуляторы использовали дополнительные датчики определения положения ротора (схема с сенсором до сих пор популярна в автомодельном хобби). Бессенсорные регуляторы, как видно из названия, обходятся без сенсора и используют уникальный алгоритм определения положения ротора: в каждый момент времени регулятор использует только 2 фазы для питания мотора, третья фаза при этом полностью отключена. Вращающееся магнитное поле наводит ЭДС в третьей обмотке. Измерив и проанализировав наведенное напряжение, можно определить как далеко провернулся магнит, и понять когда нужно закрыть текущую пару ключей и открыть следующую.

Микроконтроллер и его программное обеспечение.

Без сомнения, микроконтроллер это мозг всего процесса. Принцип его работы во многом схож с обычным компьютером: программисты пишут программу, компилируют и загружают ее в память контроллера. Микроконтроллер выполняет программу и в соответствии с ней посылает управляющие сигналы в цепь управления ключами, определяет положение мотора, обрабатывает сигналы с приемника, вычисляет требуемую выходную мощность и мигает светодиодом. Обработка сигнала с приемника стандартна. Управляющий сигнал это серия импульсов, длина которых определяет выходную мощность. Ширина импульса в 1мс означает полностью убранный газ, 2мс — полностью открытый. Величина частичного открытия газа определяется шириной импульса между этими двумя значениями. Внешне все просто, но микроконтроллеру важно при этом еще и успевать отслеживать положение мотора, что бы не пропустить момент переключения ключей.

Работа мотора на среднем газу гораздо более сложный процесс, нежели работа на полном газу. Вместо того, что бы оставить два ключа открытыми на определенное время, микроконтроллер открывает один ключ и быстро начинает открывать и закрывать второй. На малом газу второй ключ закрыт большую часть времени, в то время как при приближению к полному газу, он открыт почти все время. Частота, с которой контроллер открывает/закрывает второй ключ, называется PWM-частотой.

Физические возможности регуляторов: 4s, 6s, HV, SHV и т.д.

Кроме деления по возможностям настройки, регуляторы так же делятся по физическим возможностям. Некоторые регуляторы рассчитаны на напряжение питания 12В, в то время как другие поддерживают батареи до 90В. Впрочем, с точки зрения микроконтроллера и его программы, задача одна и та же — переключать ключи по мере вращения ротора. Наиболее очевидное изменение, это детали, которые используются на печатной плате. FET’ы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, что зачастую, означает, что они имеют более высокое сопротивление, а стало быть не так хороши. Блок управления ключами должен иметь возможность поднимать напряжение еще выше и управлять бОльшим количеством ключей. Входные конденсаторы должны быть другими, обычно значительно больше по размеру. Проще говоря, каждый элемент регулятора должен быть проверен на соответствие высокому напряжению. Кроме очевидных вещей с ростом напряжение многое становится несколько более проблемным. Небольшие скачки напряжения при переключении, которые на 12 вольтах не играют никакой роли, с ростом напряжения могут быть достаточно большими, что бы открыть ключ, который не должен быть открыт в данный момент. (Представьте себе, что ключи на верхнем и нижнем уровне открыты в один момент времени — это равносильно короткому замыканию батареи.) Контроллеру требуется дополнительная аккуратность при работе с входным сигналом, что бы все операции проходили правильно.

ВЕС: Battery eliminator circuit (блок исключения батареи)

Другая сложность с высоким напряжением это BEC. Вспоминаются те далекие времена, когда все пользовались двигателями внутреннего сгорания в качестве силовой установки, а для питания бортовой электроники было достаточно небольшой батареи. Когда электрическая тяга и регуляторы стали более популярными, в них стали встраивать небольшой линейный блок питания бортовой электроники — BEC, который создает источник тока напряжением 5В и может заменить батарею бортового питания. Простой BEC отлично работает с сервоприводами, которые не потребляют много тока, и особенно хорошо работает при небольшом напряжении силовой батареи. Проблема обычного BEC в том, что он переводит излишек напряжения в тепло. Если у нас силовая батарея 12В, то от 6В надо избавиться. Если наши сервоприводы потребляют 1А тока, то 6Вт будет переведено в тепло. Если же у нас батарея 25В, то уже 20В надо перевести в тепло и при токе в 1А, мы получим уже 20Вт тепла. Это слишком много для линейного BEC и он просто перестанет работать при такой нагрузке.

Следующим шагом в развитии стало появление импульсных BEC. Импульсные BEC работают аналогично контроллерам, используют FET ключи для быстрого включения и выключения питания от батареи, далее полученные импульсы сглаживаются для получения на выходе постоянного напряжения. Наиболее важное преимущество импульсного BEC это то, что излишек напряжения не переводится в тепло, а КПД может легко достигать 90%.

Выбор правильного контроллера.

Теперь, когда мы знаем несколько больше о том, как работает ESC, нам проще выбрать правильный контроллер для нашего применения. Предположим, что мы уже выбрали мотор и батарею. Теперь нам надо прикинуть, какой ток будет потреблять наша силовая установка. Выбирайте контроллер, который имеет рейтинг выше чем ток полного газа (к примеру если 67А это худший случай, то контроллера на 75А будет достаточно). Стоит сказать, что нет никакой проблемы в том, что бы использовать контроллер, превышающий ваши потребности, если он не утяжеляет вашу модель.

После сборки полезно сделать коротки пробный полет и проверить температуру контроллера, затем сделать более продолжительный полет и проверить температуру еще раз, что бы убедиться, что она не выходит за безопасные рамки. Температура контроллера должна оставаться ниже 85С и регулятор не должен шипеть, если прикоснуться к его корпусу смоченным пальцем. Калькуляторы силовых установок могут ошибаться, и каждый вертолет летает немного по-разному, поэтому дополнительная осторожность при первых полетах не повредит.

Заключение

Как вы видите, контроллеры имеют относительно простую конструкцию, однако хорошее программное обеспечение и качественные компоненты жизненно важны для правильной работы. От правильного выбора контроллера зависит, будет или не будет модель обладать дымовым эффектом, которого вы, возможно, вовсе и не желаете;-). Отдельное спасибо Джонатану Фелдкампу и команде Castle Creations за их вклад в наше хобби.

Дополнение: почему работа на среднем газу менее эффективна и сильнее нагружает контроллер.

Прежде чем мы рассмотрим, почему работа на среднем газу может увеличить потребление тока, нужно кратко рассмотреть явление обратной ЭДС (back EMF-electromotive force). Во время работы мотор не только потребляет энергию, создавая вращение, но и работает как генератор, вырабатывая электроэнергию — обратную ЭДС. (Примечание aarc: Если предположить, что мотор не имеет внутреннего сопротивления, не теряет энергию на трение и вращается без нагрузки, то он будет набирать обороты до тех пор, пока не сравняется напряжение подводимое от батареи и величина обратной ЭДС, после чего потребление тока станет равно нулю, а ротор продолжит вращаться с постоянной скоростью. Если теперь нагрузить мотор, например заставить вращать ротор вертолета, то появится эффект проскальзывания, когда ротор будет вращаться медленнее, чем мог бы при данном напряжении, а величина подводимого тока будет больше чем ток обратной ЭДС. Эта разница токов и совершает полезную работу. (http://en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor) В результате мотор работает с проскальзыванием, из-за того, что часть энергии идет на совершение полезной работы, а часть на преодоление обратного тока, и чем выше нагрузка, тем сильнее проскальзывание и больше тока потребляет мотор.

Работа на среднем газу или в режиме гувернера(тот же средний газ) нагружают контроллер, несмотря на то, что он дает более короткие импульсы питания, тем не менее под нагрузкой ток импульсов увеличивается. При снижении оборотов обратная ЭДС уменьшается и разница токов обратной ЭДС и мгновенных импульсов питания может быть очень большая. Ватт-метры не могут показать эти броски тока, а отображают только средние значения.