تصور کنید که یک هواپیمای مدل کنترل از راه دور را کنترل می‌کنید که در آن تغییرات جزئی در سرعت موتور مستقیماً بر وضعیت پرواز آن تأثیر می‌گذارد. یا یک ماشین RC با سرعت بالا را تصور کنید که در آن شتاب و ترمز دقیق کاملاً به کنترل دقیق سرعت موتور بستگی دارد. تمام این عملیات به یک جزء الکترونیکی حیاتی متکی هستند - کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی (ESC). این قطعه به عنوان "مغز" موتور عمل می‌کند، دستورات را دریافت می‌کند و سرعت موتور را برای دستیابی به حرکات پیچیده مختلف کنترل می‌کند. این مقاله یک بررسی جامع از اصول، انواع، کاربردها و فناوری‌های مرتبط با ESC ارائه می‌دهد.

یک کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی (ESC) یک مدار الکترونیکی است که برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی طراحی شده است. این سیگنال‌های مرجع سرعت را از سیستم‌های کنترلی دریافت می‌کند و خروجی توان موتور را بر این اساس تنظیم می‌کند و امکان کنترل دقیق سرعت موتور را فراهم می‌کند. ESCها در کاربردهایی که به تنظیم دقیق سرعت موتور نیاز دارند، از جمله مدل‌های RC، ابزارهای برقی و تجهیزات اتوماسیون صنعتی، کاربرد گسترده‌ای دارند.

عملکرد اصلی ESC شامل تنظیم ولتاژ یا جریان موتور بر اساس سیگنال‌های مرجع سرعت دریافتی برای تغییر سرعت موتور است. اصول اساسی کار عبارتند از:

1. دریافت سیگنال مرجع سرعت: ESCها سیگنال‌های مرجع سرعت را از سیستم‌های کنترلی دریافت می‌کنند، معمولاً در قالب مدولاسیون عرض پالس (PWM) که در آن عرض پالس با سرعت موتور مورد نظر مطابقت دارد.
2. عناصر سوئیچینگ قدرت: ESCها از عناصر سوئیچینگ قدرت (معمولاً ترانزیستورهای اثر میدان - FET) برای کنترل منبع تغذیه موتور استفاده می‌کنند و توان DC را به ولتاژ یا جریان با عرض پالس قابل تنظیم تبدیل می‌کنند.
3. مدولاسیون عرض پالس (PWM): با تغییر چرخه‌های وظیفه سوئیچینگ FET، ESCها میانگین ولتاژ یا جریان موتور را تنظیم می‌کنند، با چرخه‌های وظیفه بالاتر که سرعت موتور بیشتری تولید می‌کنند.
4. درایو موتور: ولتاژ یا جریان تنظیم شده PWM به سیم‌پیچ‌های موتور اعمال می‌شود تا چرخش را هدایت کند، با رویکردهای مختلف برای موتورهای DC برس‌دار در مقابل بدون برس.

ESCها بر اساس نوع موتور طبقه‌بندی می‌شوند:

این ESCهای ساده‌تر با تنظیم ولتاژ آرمیچر از طریق سوئیچینگ FET توان DC، سرعت موتور را تنظیم می‌کنند، و برخی از نسخه‌های صنعتی نیز جریان سیم‌پیچ میدان را کنترل می‌کنند.

ESCهای BLDC پیچیده‌تر باید توان AC سه فاز را همزمان با موقعیت روتور تولید کنند، که معمولاً از شش FET در پیکربندی اینورتر سه فاز استفاده می‌کنند.

عملکرد ESC BLDC شامل موارد زیر است:

1. تشخیص موقعیت روتور: استفاده از اندازه‌گیری EMF معکوس، سنسورهای اثر هال یا سنسورهای نوری برای تعیین موقعیت روتور.
2. تولید جریان سه فاز: کنترل شش FET برای تولید AC سه فاز که به درستی همگام‌سازی شده است.
3. کنترل جریان: پیاده‌سازی محدودیت جریان برای جلوگیری از اضافه بار موتور.
4. کنترل سرعت: تنظیم فرکانس و دامنه جریان سه فاز با استفاده از الگوریتم‌های PID برای تنظیم دقیق سرعت.

ESCهای مدرن شامل ویژگی‌های پیشرفته‌ای هستند:

• قابلیت برنامه‌ریزی: پارامترهای قابل تنظیم از جمله قطع ولتاژ پایین، حالت‌های شروع، شدت ترمز، جهت چرخش و زمان‌بندی موتور.
• مدار حذف باتری (BEC): تنظیم ولتاژ یکپارچه برای توان گیرنده/سروو، موجود در نسخه‌های سوئیچینگ خطی یا کارآمدتر.
• سیستم‌های حفاظتی: محافظت از جریان بیش از حد، دمای بیش از حد و از دست رفتن سیگنال، ایمنی و قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد.

ESCها نقش‌های حیاتی را در موارد زیر ایفا می‌کنند:

• مدل‌های RC: هواپیماها، ماشین‌ها، قایق‌ها و هلیکوپترهایی که به کنترل دقیق موتور نیاز دارند.
• پهپادهای چند روتوری: تقاضای پاسخ سریع، نرخ تازه‌سازی بالا و پروتکل‌های ارتباطی پیشرفته مانند DShot.
• ابزارهای برقی: تنظیم سرعت در دریل‌ها، اره‌ها و پیچ‌گوشتی‌ها.
• اتوماسیون صنعتی: رباتیک، نوار نقاله‌ها و ماشین‌های CNC که به کنترل حرکت دقیق نیاز دارند.
• وسایل نقلیه الکتریکی: پشتیبانی از سیستم‌های کمکی مانند فرمان برقی و پمپ‌ها.
• قطارهای مدل: فعال کردن کنترل سرعت در سیستم‌های قطار دیجیتال.

عوامل کلیدی انتخاب عبارتند از:

• نوع و مشخصات موتور
• سازگاری باتری
• الزامات برنامه
• نیازهای BEC
• محدودیت‌های اندازه/وزن
• شهرت و کیفیت برند

تکامل فناوری ESC شامل موارد زیر است:

• بهبود راندمان از طریق اجزای پیشرفته
• مینیاتوری‌سازی برای کاربردهای حساس به وزن
• ویژگی‌های هوشمند پیشرفته مانند کنترل تطبیقی
• گسترش برنامه‌ها در فناوری‌های نوظهور

پروژه VESC منبع باز، که توسط مهندس سوئدی بنجامین وددر آغاز شد، به دلیل سفت‌افزار قابل تنظیم و قیمت رقابتی در کاربردهای ESC با کارایی بالا، مورد توجه قرار گرفته است.

کنترل‌کننده‌های سرعت الکترونیکی، اجزای ضروری در سیستم‌های الکترونیکی مدرن هستند که کنترل دقیق موتور را در کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند. با پیشرفت فناوری، ESCها همچنان راه‌حل‌های کنترل حرکت پیچیده‌تری را فعال خواهند کرد.