มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน (bldc) คืออะไรและจะควบคุมด้วย Arduino ได้อย่างไร

การสร้างสิ่งของและทำให้มันทำงานในแบบที่เราต้องการเป็นเรื่องที่สนุกมาก ในขณะที่ตกลงกันไว้การสร้างสิ่งที่บินได้จะทำให้เกิดความวิตกกังวลขึ้นเล็กน้อยในหมู่มือสมัครเล่นและนักสะสมฮาร์ดแวร์ ใช่ ฉันกำลังพูดถึงเครื่องร่อนเฮลิคอปเตอร์เครื่องบินและเครื่องบินหลายคอปเตอร์เป็นหลัก วันนี้มันกลายเป็นเรื่องง่ายมากที่จะสร้างด้วยตัวคุณเองเนื่องจากการสนับสนุนจากชุมชนออนไลน์ สิ่งหนึ่งที่พบบ่อยในทุกสิ่งที่บินคือพวกเขาใช้มอเตอร์ BLDCดังนั้นมอเตอร์ BLDC นี้คืออะไร? ทำไมเราต้องใช้มันเพื่อบินสิ่งต่างๆ? มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับเรื่องนี้? จะซื้อมอเตอร์ที่เหมาะสมและเชื่อมต่อกับคอนโทรลเลอร์ของคุณได้อย่างไร? ESC คืออะไรและทำไมเราถึงใช้? หากคุณมีคำถามเช่นนี้บทช่วยสอนนี้เป็นโซลูชันครบวงจรของคุณ

ดังนั้นโดยทั่วไปในการกวดวิชานี้เราจะ ควบคุมมอเตอร์ Brushless กับ Arduino ที่นี่ A2212 / 13Tมอเตอร์ที่วิ่งเร็วกว่า BLDC ไร้เซ็นเซอร์ใช้กับ 20A Electronic Speed Controller (ESC) มอเตอร์นี้นิยมใช้ในการสร้างโดรน

วัสดุที่จำเป็น

มอเตอร์ BLDC A2212 / 13T
ESC (20A)
แหล่งพลังงาน (12V 20A)
Arduino
โพเทนชิออมิเตอร์

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับมอเตอร์ BLDC

BLDC Motor ย่อมาจากBrush Less DC motorนิยมใช้ในพัดลมเพดานและรถยนต์ไฟฟ้าเนื่องจากการทำงานที่ราบรื่น ก่อนหน้านี้มีการอธิบายรายละเอียดการใช้มอเตอร์ BLDC ในรถยนต์ไฟฟ้า แตกต่างจากมอเตอร์อื่น ๆ มอเตอร์ BLDC มีสายไฟสามเส้นที่ออกมาและแต่ละสายจะสร้างเฟสของตัวเองจึงทำให้เรามีมอเตอร์สามเฟส รออะไร!!??

ใช่แม้ว่ามอเตอร์ BLDC จะถือว่าเป็นมอเตอร์กระแสตรง แต่ก็ทำงานด้วยความช่วยเหลือของคลื่นพัลซิ่งควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ในพัลส์และให้มันไป 3 สายของมอเตอร์ในช่วงเวลาใดก็ตามจะมีการขับเคลื่อนมอเตอร์เพียงสองเฟสเพื่อให้กระแสไฟฟ้าเข้าสู่เฟสเดียวและผ่านไปยังอีกเฟสหนึ่ง ในระหว่างกระบวนการนี้ขดลวดภายในมอเตอร์จะได้รับพลังงานและด้วยเหตุนี้แม่เหล็กบนโรเตอร์จึงปรับตัวเข้ากับขดลวดที่มีพลังงาน จากนั้นสายไฟสองเส้นถัดไปจะได้รับพลังงานจาก ESC กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปเพื่อให้มอเตอร์หมุน ความเร็วของมอเตอร์ขึ้นอยู่กับความเร็วของขดลวดที่ให้พลังงานและทิศทางของมอเตอร์ขึ้นอยู่กับลำดับที่ขดลวดได้รับพลังงาน เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ ESC ในบทความนี้

มีมอเตอร์ BLDC หลายประเภทให้ดูที่การจำแนกประเภทที่พบบ่อยที่สุด

มอเตอร์ BLDC ในนักวิ่งและนักวิ่งนอก: ในมอเตอร์ BLDC ของนักวิ่งจะทำงานเหมือนกับมอเตอร์อื่น ๆ นั่นคือเพลาภายในมอเตอร์หมุนในขณะที่ปลอกยังคงอยู่ ในขณะที่ มอเตอร์ BLDC ของนักวิ่งนอก นั้นตรงกันข้ามปลอกด้านนอกของมอเตอร์จะหมุนไปพร้อมกับเพลาในขณะที่ขดลวดด้านในยังคงอยู่ มอเตอร์นอกวิ่งเป็นข้อได้เปรียบอย่างมากในจักรยานไฟฟ้าเนื่องจากปลอกด้านนอก (ตัวที่หมุนได้) นั้นถูกสร้างเป็นขอบล้อสำหรับยางและด้วยเหตุนี้จึงหลีกเลี่ยงกลไกการต่อพ่วง นอกจากนี้มอเตอร์สำหรับนักวิ่งนอกมักจะให้แรงบิดมากกว่าในประเภทนักวิ่งดังนั้นจึงกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับ EV และ Drones ตัวที่เราใช้อยู่นี้ก็เป็นประเภทวิ่งเอาท์

หมายเหตุ: มีมอเตอร์อีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่ามอเตอร์ BLDC แบบไม่มีแกนซึ่งใช้สำหรับโดรนแบบพกพาเช่นกันพวกเขามีหลักการทำงานที่แตกต่างกัน แต่ตอนนี้ขอข้ามไปเพื่อประโยชน์ของบทช่วยสอนนี้

มอเตอร์ BLDC แบบเซ็นเซอร์และแบบไม่มีเซ็นเซอร์: เพื่อให้มอเตอร์ BLDC หมุนโดยไม่ต้องกระตุกใด ๆ จำเป็นต้องมีการตอบสนอง นั่นคือ ESC ต้องรู้ตำแหน่งและขั้วของแม่เหล็กในโรเตอร์เพื่อให้พลังงานสเตเตอร์เป็นไปตาม ข้อมูลนี้สามารถรับได้สองวิธี หนึ่งคือการวางเซ็นเซอร์ฮอลล์ไว้ในมอเตอร์ เซ็นเซอร์ฮอลล์จะตรวจจับแม่เหล็กและส่งข้อมูลไปยัง ESC มอเตอร์ประเภทนี้เรียกว่ามอเตอร์ Sensord BLDC และใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า วิธีที่สองคือการใช้ EMF ด้านหลังที่สร้างขึ้นโดยขดลวดเมื่อแม่เหล็กพาดผ่านซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์หรือสายไฟเพิ่มเติมที่สายเฟสนั้นใช้เป็นข้อเสนอแนะเพื่อตรวจสอบ EMF ย้อนกลับ วิธีนี้ใช้ในมอเตอร์ของเราและเป็นเรื่องปกติสำหรับโดรนและโครงการบินอื่น ๆ

เหตุใดโดรนและมัลติคอปเตอร์อื่น ๆ จึงใช้มอเตอร์ BLDC

มีโดรนเจ๋ง ๆ หลายประเภทตั้งแต่ควอดคอปเตอร์ไปจนถึงเฮลิคอปเตอร์และเครื่องร่อนทุกอย่างมีฮาร์ดแวร์ที่เหมือนกัน นั่นคือมอเตอร์ BLDC แต่ทำไม? ทำไมพวกเขาถึงใช้มอเตอร์ BLDC ซึ่งมีราคาแพงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ DC Motors?

มีเหตุผลที่ถูกต้องไม่กี่ประการสาเหตุหลักประการหนึ่งคือแรงบิดที่ได้จากมอเตอร์เหล่านี้สูงมากซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องได้รับ / แรงผลักดันที่หลวมอย่างรวดเร็วเพื่อนำออกหรือลงจอดโดรน นอกจากนี้ยังมีมอเตอร์เหล่านี้เป็น ตัววิ่งนอก ซึ่งจะเพิ่มแรงขับของมอเตอร์อีกครั้ง อีกเหตุผลหนึ่งสำหรับมอเตอร์ BLDC ที่เลือกคือการสั่นสะเทือนที่ราบรื่นการทำงานน้อยลงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับโดรนของเราที่มีเสถียรภาพในกลางอากาศ

อำนาจอัตราส่วนน้ำหนักของมอเตอร์ BLDC สูงมาก สิ่งนี้สำคัญมากเนื่องจากมอเตอร์ที่ใช้กับโดรนควรมีกำลังสูง (ความเร็วสูงและแรงบิดสูง) แต่ก็ควรมีน้ำหนักน้อยด้วย มอเตอร์กระแสตรงที่สามารถให้แรงบิดและความเร็วเท่ากันของมอเตอร์ BLDC จะหนักเป็นสองเท่าของมอเตอร์ BLDC

ทำไมเราต้องมี ESC และหน้าที่ของมันคืออะไร?

ดังที่เราทราบกันดีว่ามอเตอร์ BLDC ทุกตัวต้องใช้ตัวควบคุมบางประเภทเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่เป็นพัลส์เพื่อจ่ายไฟให้กับสายเฟสของมอเตอร์ ควบคุมนี้จะเรียกว่า ESC ซึ่งยืนสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ควบคุมความเร็วความรับผิดชอบหลักของคอนโทรลเลอร์คือการจ่ายพลังงานให้กับสายเฟสของมอเตอร์ BLDC ตามลำดับเพื่อให้มอเตอร์หมุน ทำได้โดยการตรวจจับ EMF ด้านหลังจากแต่ละสายและกระตุ้นขดลวดให้ตรงเมื่อแม่เหล็กตัดผ่านขดลวด ดังนั้นจึงมีความฉลาดของฮาร์ดแวร์มากมายใน ESC ซึ่งอยู่นอกขอบเขตของบทช่วยสอนนี้ แต่การที่จะพูดถึงไม่กี่มันมีตัวควบคุมความเร็วและวงจรกำจัดแบตเตอรี่

การควบคุมความเร็วตาม PWM: ESC สามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ BLDC ได้โดยอ่านสัญญาณ PWM ที่ให้มาบนสายสีส้ม มันทำงานคล้ายกับเซอร์โวมอเตอร์มากสัญญาณ PWM ที่ให้มาควรมีระยะเวลา 20 มิลลิวินาทีและรอบการทำงานสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความเร็วของมอเตอร์ BLDC เนื่องจากตรรกะเดียวกันนี้ใช้กับเซอร์โวมอเตอร์เพื่อควบคุมตำแหน่งเราจึงสามารถใช้ไลบรารีเซอร์โวเดียวกันในโปรแกรม Arduino ของเราได้ เรียนรู้การใช้ Servo กับ Arduino ที่นี่

วงจรกำจัดแบตเตอรี่ (BEC): ESC เกือบทั้งหมดมาพร้อมกับวงจรกำจัดแบตเตอรี่ ตามชื่อที่แนะนำวงจรนี้ทำให้ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่แยกสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ในกรณีนี้เราไม่จำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากเพื่อจ่ายไฟให้กับ Arduino ของเรา ESC เองจะให้ + 5V ควบคุมซึ่งสามารถใช้พลังงาน Arduino ของเราได้ มีวงจรหลายประเภทที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้านี้โดยปกติจะเป็นการควบคุมเชิงเส้นใน ESC ราคาถูก แต่คุณสามารถค้นหาวงจรที่มีวงจรสวิตชิ่งได้

เฟิร์มแวร์: ESC ทุกตัวมีโปรแกรมเฟิร์มแวร์ที่เขียนโดยผู้ผลิต เฟิร์มแวร์นี้กำหนดอย่างมากว่า ESC ของคุณตอบสนองอย่างไร เฟิร์มแวร์ยอดนิยมบางตัวคือแบบดั้งเดิม Simon-K และ BL-Heli เฟิร์มแวร์นี้ยังสามารถตั้งโปรแกรมได้โดยผู้ใช้ แต่เราจะไม่เข้าใจมากนักในบทแนะนำนี้

คำศัพท์ทั่วไปบางคำที่ใช้กับ BLDC และ ESC:

หากคุณเพิ่งเริ่มทำงานกับมอเตอร์ BLDC คุณอาจเจอคำต่างๆเช่นการ เบรกการสตาร์ทแบบนุ่มนวลทิศทางมอเตอร์แรงดันไฟฟ้าต่ำเวลาตอบสนอง และ ขั้นสูง มาดูความหมายของคำศัพท์เหล่านี้กัน

การเบรก: การเบรกคือความสามารถของมอเตอร์ BLDC ของคุณที่จะหยุดหมุนทันทีที่ถอนคันเร่ง ความสามารถนี้มีความสำคัญมากสำหรับมัลติคอปเตอร์เนื่องจากต้องเปลี่ยน RPM บ่อยขึ้นเพื่อซ้อมรบกลางอากาศ

ซอฟต์สตาร์ท:ซอฟต์สตาร์ทเป็นคุณสมบัติสำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อมอเตอร์ BLDC ของคุณเชื่อมโยงกับเกียร์ เมื่อมอเตอร์เปิดใช้งานการสตาร์ทแบบนุ่มนวลมันจะไม่เริ่มหมุนเร็วมากในทันทีทันใดมันจะค่อยๆเพิ่มความเร็วขึ้นเสมอไม่ว่าจะให้คันเร่งเร็วแค่ไหนก็ตาม ซึ่งจะช่วยเราในการลดการสึกหรอของเกียร์ที่ติดมากับมอเตอร์ (ถ้ามี)

ทิศทางของมอเตอร์:โดยปกติแล้วทิศทางของมอเตอร์ในมอเตอร์ BLDC จะไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการทำงาน แต่เมื่อประกอบผู้ใช้อาจต้องเปลี่ยนทิศทางที่มอเตอร์หมุน วิธีที่ง่ายที่สุดในการเปลี่ยนทิศทางของมอเตอร์คือการเปลี่ยนสายไฟสองเส้นของมอเตอร์

การหยุดแรงดันไฟฟ้าต่ำ:เมื่อปรับเทียบแล้วเราจำเป็นต้องให้มอเตอร์ BLDC ของเราทำงานด้วยความเร็วเดียวกันเสมอสำหรับค่าเค้น แต่นี่เป็นเรื่องยากที่จะบรรลุเนื่องจากมอเตอร์มักจะลดความเร็วลงสำหรับค่าเค้นที่เท่ากันเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้โดยปกติเราจะตั้งโปรแกรม ESC ให้หยุดทำงานเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำกว่าค่าเกณฑ์ฟังก์ชันนี้เรียกว่า Low Voltage Stop และมีประโยชน์ในโดรน

เวลาตอบสนอง:ความสามารถของมอเตอร์ในการเปลี่ยนความเร็วอย่างรวดเร็วตามการเปลี่ยนแปลงของเค้นเรียกว่าเวลาตอบสนอง ยิ่งเวลาตอบสนองน้อยเท่าไหร่การควบคุมก็จะดีขึ้นเท่านั้น

Advance: Advance เป็นปัญหาหรือมากกว่าเช่นข้อบกพร่องของมอเตอร์ BLDC มอเตอร์ BLDC ทั้งหมดมีความก้าวหน้าเล็กน้อย นั่นคือเมื่อขดลวดสเตเตอร์ได้รับพลังงานโรเตอร์จะถูกดึงดูดเข้าหามันเนื่องจากมีแม่เหล็กถาวรอยู่ หลังจากได้รับแรงดึงดูดแล้วโรเตอร์มีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอีกเล็กน้อยในทิศทางเดียวกันก่อนที่ขดลวดจะคลายพลังงานจากนั้นขดลวดถัดไปจะรวมพลัง การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่า“ Advance” และมันจะสร้างปัญหาเช่นกระวนกระวายใจร้อนขึ้นเสียงดังเป็นต้นดังนั้นนี่จึงเป็นสิ่งที่ ESC ที่ดีควรหลีกเลี่ยงด้วยตัวมันเอง

เอาล่ะทฤษฎีเพียงพอแล้วให้เราเริ่มต้นกับฮาร์ดแวร์โดยเชื่อมต่อมอเตอร์กับ Arduino

แผนภาพวงจรควบคุมมอเตอร์ Arduino BLDC

ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพวงจรควบคุมมอเตอร์ไร้แปรงถ่านด้วย Arduino:

การเชื่อมต่อสำหรับการเชื่อมต่อมอเตอร์ BLDC กับ Arduinoนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา ESC ต้องการแหล่งจ่ายไฟประมาณ 12V และ 5A ขั้นต่ำ ในบทช่วยสอนนี้ฉันใช้ RPS เป็นแหล่งพลังงาน แต่คุณยังสามารถใช้แบตเตอรี่ Li-Po เพื่อจ่ายพลังงานให้กับ ESC ได้ สายไฟสามเฟสของ ESC ควรเชื่อมต่อกับสายไฟสามเฟสของมอเตอร์ไม่มีคำสั่งให้เชื่อมต่อสายไฟเหล่านี้คุณสามารถเชื่อมต่อได้ตามลำดับ

คำเตือน: ESC บางตัวจะไม่มีขั้วต่อในกรณีนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อของคุณแน่นหนาและป้องกันสายไฟที่สัมผัสโดยใช้เทปฉนวน เนื่องจากจะมีกระแสไฟฟ้าสูงผ่านระยะสั้น ๆ จะนำไปสู่ความเสียหายถาวรของ ESC และมอเตอร์

BEC (แบตเตอรี่กำจัดวงจร)ใน ESC ตัวเองจะควบคุม A + 5V ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่ออำนาจคณะ Arduino ในที่สุดเพื่อตั้งความเร็วของมอเตอร์ BLDC เรายังใช้โพเทนชิออมิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับ A0 พินของ Arduino

โปรแกรมสำหรับ BLDC Speed Control โดยใช้ Arduino

เราต้องสร้างสัญญาณ PWM ที่มีรอบการทำงานที่แตกต่างกันตั้งแต่ 0% ถึง 100% ด้วยความถี่ 50Hz ควรควบคุมรอบการทำงานโดยใช้โพเทนชิออมิเตอร์เพื่อให้เราสามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้ รหัสในการทำเช่นนี้คล้ายกับการควบคุมเซอร์โวมอเตอร์เนื่องจากต้องใช้สัญญาณ PWM ที่มีความถี่ 50Hz ด้วยเหตุนี้เราจึงใช้ไลบรารีเซอร์โวเดียวกันจาก Arduino รหัสที่สมบูรณ์สามารถพบได้ที่ด้านล่างของหน้านี้ดังต่อไปนี้ฉันจะอธิบายรหัสในตัวอย่างขนาดเล็ก และถ้าคุณยังใหม่กับ Arduino หรือ PWM ก่อนอื่นให้ใช้ PWM กับ Arduino และควบคุมเซอร์โวโดยใช้ Arduino

สัญญาณ PWM สามารถสร้างได้เฉพาะบนพินที่รองรับ PWM โดยฮาร์ดแวร์โดยปกติหมุดเหล่านี้จะกล่าวถึงด้วยสัญลักษณ์ ~ ใน Arduino UNO พิน 9 สามารถสร้างสัญญาณ PWMดังนั้นเราจึงเชื่อมต่อพินสัญญาณ ESC (สายสีส้ม) กับพิน 9 เรายังพูดถึงรหัสอินน์เดียวกันโดยใช้บรรทัดต่อไปนี้

ESC แนบ (9);

เราต้องสร้างสัญญาณ PWM ของรอบการทำงานที่แตกต่างกันตั้งแต่ 0% ถึง 100% สำหรับรอบการทำงาน 0% POT จะส่งออก 0V (0) และสำหรับรอบการทำงาน 100% POT จะส่งออก 5V (1023) ที่นี่หม้อเชื่อมต่อกับพิน A0 ดังนั้นเราต้องอ่านแรงดันอนาล็อกจาก POTโดยใช้ฟังก์ชั่นอ่านอนาล็อกดังที่แสดงด้านล่าง

int เค้น = analogRead (A0);

จากนั้นเราต้องแปลงค่าจาก 0 ถึง 1023 เป็น 0 ถึง 180เนื่องจากค่า 0 จะสร้าง 0% PWM และค่า 180 จะสร้างวัฏจักรการทำงาน 100% ค่าใด ๆ ที่สูงกว่า 180 จะไม่สมเหตุสมผล ดังนั้นเราจึงจับคู่ค่าเป็น 0-180 โดยใช้ฟังก์ชันแผนที่ดังที่แสดงด้านล่าง

เค้น = แผนที่ (เค้น 0, 1023, 0, 180);

สุดท้ายเราต้องส่งค่านี้ไปยังฟังก์ชันเซอร์โวเพื่อให้สามารถสร้างสัญญาณ PWM บนพินนั้นได้ เนื่องจากเราได้ตั้งชื่อวัตถุเซอร์โวเป็น ESC รหัสจะมีลักษณะดังนี้ด้านล่างโดยที่เค้นตัวแปรมีค่าตั้งแต่ 0-180 เพื่อควบคุมรอบการทำงานของสัญญาณ PWM

ESC.write (เค้น);

การควบคุมมอเตอร์ Arduino BLDC

ทำการเชื่อมต่อตามแผนภาพวงจรและอัปโหลดรหัสไปยัง Arduino และเปิดเครื่อง ESC ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณได้ติดตั้งมอเตอร์ BLDC เข้ากับบางสิ่งเนื่องจากมอเตอร์จะกระโดดไปรอบ ๆ เมื่อหมุน เมื่อเปิดการตั้งค่า ESC ของคุณจะส่งเสียงเตือนและจะส่งเสียงบี๊บต่อไปจนกว่าสัญญาณเค้นจะอยู่ในเกณฑ์ จำกัด เพิ่ม POT จาก 0V ทีละน้อยและเสียงบี๊บจะหยุดลงซึ่งหมายความว่าตอนนี้เรากำลังให้ PWM สัญญาณที่สูงกว่าค่าขีด จำกัด ที่ต่ำกว่าและเมื่อคุณเพิ่มมากขึ้นมอเตอร์ของคุณจะเริ่มหมุนช้าๆ ยิ่งคุณให้แรงดันไฟฟ้ามากเท่าไหร่มอเตอร์ก็จะรับความเร็วมากขึ้นเท่านั้นในที่สุดเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงเกินขีด จำกัด ด้านบนมอเตอร์จะหยุดทำงาน จากนั้นคุณสามารถทำซ้ำได้

การทำงานที่สมบูรณ์ของArduino BLDC Controllerนี้สามารถพบได้ที่ลิงค์วิดีโอด้านล่าง หากคุณประสบปัญหาในการทำให้สิ่งนี้ใช้งานได้อย่าลังเลที่จะใช้ส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมเพื่อขอความช่วยเหลือด้านเทคนิคเพิ่มเติม