تصور کنید یک خودروی برقی با سرعت در بزرگراه در حال حرکت است یا یک هواپیمای کنترل از راه دور با دقت در هوا مانور می دهد. در پشت این شگفتی های تکنولوژیکی یک جزء حیاتی وجود دارد که خستگی ناپذیر کار می کند - کنترل کننده سرعت الکترونیکی (ESC). این دستگاه که مانند یک رهبر ارکستر دقیق عمل می کند، سرعت موتورها را کنترل می کند و به دستگاه ها اجازه می دهد تا مطابق با دستورات ما عمل کنند. اما این قهرمان گمنام دقیقاً چگونه کار می کند و چه چیزی کاربردهای آن را در زمینه های مختلف بسیار قابل توجه می کند؟

ESC: مرکز کنترل هوشمند برای سرعت موتور

یک کنترل کننده سرعت الکترونیکی یک مدار الکترونیکی است که عملکرد اصلی آن تنظیم و کنترل سرعت موتور است. فراتر از تنظیم سرعت پایه، می تواند معکوس کردن موتور و ترمز دینامیکی را نیز فعال کند و کنترل انعطاف پذیرتر و دقیقتری را ارائه دهد. از مدل های مینیاتوری کنترل از راه دور گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی در مقیاس کامل، ESC ها نقشی ضروری ایفا می کنند.

ESC با دریافت سیگنال های مرجع سرعت از اهرم های دریچه گاز، جوی استیک ها یا سایر دستگاه های ورودی دستی کار می کند، سپس سرعت موتور را با تغییر فرکانس سوئیچینگ یک شبکه ترانزیستور اثر میدان (FET) تعدیل می کند. به طور خاص، یا چرخه وظیفه یا فرکانس سوئیچینگ ترانزیستورها را تنظیم می کند تا تحویل توان به موتور را تغییر دهد و در نتیجه سرعت را کنترل کند. صدای بلند و زیر موتورها در سرعت های پایین ناشی از این سوئیچینگ سریع جریان است.

راه حل های متناسب برای انواع مختلف موتور

ESC ها در نسخه های مختلفی عرضه می شوند که برای موتورهای DC برس دار یا بدون برس طراحی شده اند. برای موتورهای برس دار، کنترل سرعت با تغییر ولتاژ اعمال شده به آرمیچر به دست می آید. با این حال، موتورهای بدون برس به استراتژی های کنترلی متفاوتی نیاز دارند - آنها سرعت را با اصلاح زمان بندی پالس های جریان تحویل داده شده به هر سیم پیچ موتور تنظیم می کنند.

سیستم های ESC بدون برس اساساً توان AC سه فاز ایجاد می کنند، مشابه درایوهای با فرکانس متغیر که برای کارکردن موتورهای بدون برس استفاده می شود. این موتورها به دلیل راندمان، توان خروجی، طول عمر و ساختار سبک وزن برتر، در بین علاقه مندان به هواپیماهای رادیویی محبوب هستند. با این حال، کنترلرهای موتور DC بدون برس به طور قابل توجهی پیچیده تر از همتایان برس دار خود هستند.

یک ESC باید تحویل فاز جریان را با توجه به حالت چرخشی موتور تنظیم کند، که معمولاً با تشخیص نیروی محرکه الکتریکی برگشتی در سیم پیچ های موتور به دست می آید. برخی از انواع از سنسورهای مغناطیسی جداگانه (اثر هال) یا آشکارسازهای نوری استفاده می کنند. ESC های قابل برنامه ریزی اغلب ویژگی های قابل تنظیم مانند محدودیت های قطع ولتاژ پایین، زمان بندی، شتاب، ترمز و جهت چرخش را ارائه می دهند. معکوس کردن موتور را می توان با تعویض هر دو سیم بین ESC و موتور نیز انجام داد.

پارامترهای کلیدی و معیارهای انتخاب

ESC ها معمولاً بر اساس حداکثر ظرفیت جریان خود (به عنوان مثال، 25A) رتبه بندی می شوند. به طور کلی، رتبه های بالاتر با ابعاد فیزیکی و وزن بزرگتر مطابقت دارند - یک ملاحظه مهم هنگام محاسبه جرم و تعادل هواپیما. بسیاری از ESC های مدرن از باتری های نیکل-فلز هیدرید، پلیمر لیتیوم و فسفات آهن لیتیوم با ولتاژهای ورودی و قطع مختلف پشتیبانی می کنند.

هنگام انتخاب یک مدار حذف باتری (BEC) - چه در کنترلر ادغام شده باشد و چه به عنوان یک واحد مستقل - نوع باتری و تعداد سلول ها عوامل مهمی هستند. رگولاتورهای خطی با افزایش تعداد باتری های متصل، رتبه های توان را کاهش می دهند و در نتیجه تعداد سرووهایی را که یک BEC یکپارچه می تواند پشتیبانی کند، کاهش می دهند. BEC های با طراحی خوب که از رگولاتورهای سوئیچینگ استفاده می کنند از چنین محدودیت هایی اجتناب می کنند.

بیشتر ESC های معاصر شامل میکروکنترلرهایی هستند که سیگنال های ورودی را تفسیر می کنند و موتورها را از طریق برنامه ها یا سیستم عامل های داخلی کنترل می کنند. برخی اجازه می دهند سیستم عامل کارخانه با جایگزین های منبع باز جایگزین شود، معمولاً برای انطباق ESC برای برنامه های خاص. مدل های خاصی از سیستم عامل قابل ارتقا توسط کاربر خارج از جعبه پشتیبانی می کنند، در حالی که برخی دیگر برای اتصالات برنامه نویس به لحیم کاری نیاز دارند. پروژه VESC که در سال 2014 توسط مهندس سوئدی بنجامین وددر آغاز شد، به دلیل گزینه های سفارشی سازی پیشرفته و هزینه های ساخت نسبتاً مقرون به صرفه در مقایسه با ESC های ممتاز، مورد توجه قرار گرفت.

کاربردهای خودرو: قدرت بخشیدن به انقلاب الکتریکی

ESC های بزرگ و با جریان بالا به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی مانند Nissan Leaf، Tesla Roadster (2008)، Model S/X/3 و Chevrolet Bolt استفاده می شوند. مصرف انرژی EV معمولاً بر حسب کیلووات اندازه گیری می شود - موتور 160 کیلوواتی Nissan Leaf تا 340 نیوتن متر گشتاور تولید می کند. اکثر EV های تولیدی از ESC هایی استفاده می کنند که قادر به جذب انرژی در هنگام حرکت یا ترمز هستند و از موتور به عنوان ژنراتور برای کاهش سرعت خودرو استفاده می کنند.

این سیستم ترمز احیا کننده انرژی جذب شده را به باتری ها هدایت می کند و برد رانندگی را افزایش می دهد. در وسایلی مانند تسلا، این روش آنقدر موثر است که ترمزهای معمولی فقط در سرعت های بسیار پایین مورد نیاز هستند. وسایل نقلیه دیگر مانند Nissan Leaf در هنگام حرکت مقاومت خفیفی از خود نشان می دهند، به طوری که ESC با ترمزهای سنتی هماهنگ می شود تا جذب انرژی را برای توقف کامل تنظیم کند.

ESC های EV تولیدی معمولاً دارای عملکرد معکوس هستند و امکان عملکرد دو طرفه موتور را فراهم می کنند. برخی از EV های تک دنده به سادگی جهت موتور را معکوس می کنند، در حالی که مدل های مجهز به موتور DC از سوئیچ های الکتریکی برای معکوس کردن استفاده می کنند. دیگران جهت چرخش موتور را ثابت نگه می دارند و از گیربکس های معمولی برای معکوس کردن استفاده می کنند - به ویژه برای وسایل نقلیه تبدیل شده که پیشرانه های اصلی خود را حفظ می کنند، راحت است.

تحرک سبک وزن: دوچرخه های برقی و اسکوترها

موتورهای دوچرخه برقی که به گشتاور اولیه بالایی نیاز دارند، اغلب از سنسورهای اثر هال برای اندازه گیری سرعت استفاده می کنند. کنترلرهای آنها معمولاً شامل سنسورهای اعمال ترمز، سنسورهای چرخش پدال و تنظیمات سرعت قابل تنظیم پتانسیومتر هستند. برخی از سنسورهای گشتاور پدال را برای کمک متناسب موتور پیاده سازی می کنند، در حالی که برخی دیگر از ترمز احیا کننده پشتیبانی می کنند - اگرچه با ترمزهای نامکرر و جرم کم خودرو محدود می شود. مقاله سفید Zilog جزئیات پیاده سازی کنترلر موتور هاب DC بدون برس 200 واتی، 24 ولتی برای دوچرخه های برقی را شرح می دهد.

برنامه های RC: مینیاتوری سازی و کنترل هوشمند

در مدل های کنترل از راه دور، ESC ها ممکن است واحدهای مستقل باشند که به کانال های دریچه گاز گیرنده متصل می شوند یا در گیرنده ها مانند RC های درجه اسباب بازی ادغام می شوند. برخی از تولیدکنندگان هر دو را در یک برد مدار واحد برای وسایل نقلیه سطح ورودی ترکیب می کنند.

ESC های RC اغلب شامل BEC ها برای تنظیم ولتاژ گیرنده هستند و باتری های گیرنده جداگانه را حذف می کنند. اینها سیگنال های PWM استاندارد 50 هرتز را با عرض پالس از 1 میلی ثانیه (موتور خاموش) تا 2 میلی ثانیه (سرعت کامل) می پذیرند. ESC های مخصوص خودرو ممکن است دارای عملکرد برگشت پذیر یا ترمز دینامیکی با بارگذاری الکتریکی آرمیچر باشند. ESC های هلیکوپتر ترمز را حذف می کنند (که توسط بلبرینگ های یک طرفه بی اثر می شود) اما ممکن است قابلیت معکوس را حفظ کنند.

ESC های هلیکوپتر رده بالا حالت های فرماندار را ارائه می دهند که سرعت موتور ثابت را حفظ می کنند - به ویژه برای پرواز مبتنی بر CCPM و کوادکوپترها مفید است. ESC های هواپیما دارای ویژگی های ایمنی هستند که در شرایط کم توان، عملکرد سطح کنترل را در اولویت قرار می دهند و امکان سر خوردن یا بازیابی کم توان را فراهم می کنند.

ESC های دریایی به ساختار ضد آب با محفظه های فشرده و محبوس شده در هوا نیاز دارند و برای خنک سازی به گردش آب یا خلاء ناشی از پروانه متکی هستند. مانند ESC های خودرو، آنها دارای عملکردهای ترمز و معکوس هستند.

کوادکوپترهای مدرن (و همه مولتی روتورها) به ESC های فشرده و پرقدرت متکی هستند که AC سه فاز با فرکانس بالا و وضوح بالا را به موتورها تحویل می دهند. کنترل سرعت خوب در محدوده های وسیع، مانورهای پروازی را امکان پذیر می کند. برخلاف سیگنال های RC استاندارد 50 هرتز، ESC های کوادکوپتر از پروتکل های سریعتر مانند Oneshot، Multishot و DShot پشتیبانی می کنند - یک پروتکل دیجیتال که وضوح برتر، مجموع های CRC و پایداری نوسانگر را بدون کالیبراسیون ارائه می دهد. پروتکل های ESC مدرن می توانند با سرعت 37.5 کیلوهرتز یا سریعتر ارتباط برقرار کنند، با فریم های DSHOT2400 که تنها در 6.5 میکروثانیه تکمیل می شوند.

در حالی که اکثر قطارهای مدل نیرو را از ریل ها یا خطوط هوایی می گیرند (قرار دادن ESC ها خارج از برد)، سیستم های کنترل دیجیتال که امکان استفاده از چندین قطار را در یک مسیر فراهم می کنند، به کنترلرهای سرعت داخلی نیاز دارند. مدل های سواری بزرگتر (5 اینچ یا 7 اینچ) معمولاً باتری ها و کنترلرهای سرعت را در خود حمل می کنند.