使用Arduino和电子速度控制器控制无感BLDC外转子电机的速度

　　在本篇文章中，我们将使用Arduino开发板和20A电子速度控制器（ESC）控制A2212 / 1T无感BLDC外转子电机（通常用于制作无人机）的速度。
　　所需的材料
　　● A2212 / 13T BLDC电机
　　● ESC控制器（20A）
　　● 电源（12V 20A）
　　● Arduino开发板
　　● 电位器
　　了解BLDC电机
　　BLDC电机表示无刷直流电机，由于其平稳运行，常用于吊扇和电动汽车。与其他电机不同，BLDC电机引出来三根导线，每根导线形成自己的相位，因此对于我们来说，它是一个三相电机。
　　是的，虽然BLDC电机被认为是直流电机，它们工作在脉冲波模式下。电子速度控制器（ESC）将来自电池的直流电压转换为脉冲，并将其提供给电机的3根电线。在任何给定时间，只有两相电动机将被供电，因此电流通过一相进入并通过另一相。在此过程中，电动机内的线圈通电，因此转子上的磁铁自身与通电线圈对齐。接下来的两根导线由ESC通电，继续该过程使电机旋转。电动机的速度取决于线圈通电的速度，电动机的方向取决于线圈通电的顺序。我们将在本文后面详细了解ESC。
　　有许多类型的BLDC电机可供选择，让我们来看看最常见的分类。
　　● 内转子和外转子BLDC电机：内转子BLDC电机的工作方式与其他电机相同。也就是说，电机内部的轴旋转，而外壳保持固定。外转子BLDC电机正好相反，电机的外壳随着轴一起旋转，而线圈内部保持固定。外转子电机在电动自行车中是非常有优势的，因为外壳（旋转的外壳）本身被制成轮胎的轮辋，因此避免了联接机构。此外，外转子电机往往比内转子电机提供更大的扭矩，因此它成为EV和无人机的理想选择。我们在这里使用的电机也是外转子电机。
　　注意：还有另一种电机，称为无芯BLDC电机，也用于袖珍无人机，它们的工作原理不同，本篇文章不对其进行介绍。
　　● 有传感器和无传感器BLDC电机：对于无需任何加速度即可旋转的BLDC电机，需要一个反馈信号。也就是说，ESC必须知道转子中磁铁的位置和极点，以便据此激励定子。这些信息可以通过两种方式获得：一种是将霍尔传感器放在电机内。霍尔传感器将检测磁铁并将信息发送到ESC，这种类型的电机称为Sensord BLDC电机，用于电动车辆。第二种方法是通过使用线圈在磁铁交叉时产生的反电动势，这不需要额外的硬件或电线，相线本身用作反馈来检查反电动势。我们的电机使用的是这种方法，常用于无人机和其他飞行项目。
　　为什么无人机和其他多功能直升机使用BLDC电机？
　　从四轮直升机到直升机以及滑翔机，有很多类型的无人机，所有这些飞行器都有一个共同的硬件。那就是BLDC电机，但为什么呢？为什么他们使用比直流电机贵一些的BLDC电机？
　　这有很多正当理由，其中一个主要原因是这些电机提供的扭矩非常高，这对于快速获得/松动推力来起飞或降落无人机非常重要。这些电动机也可用作外圈，再次增加了电动机的推力。选择BLDC电机的另一个原因是它的平稳振动操作较少，这对我们的无人机在半空中稳定非常理想。
　　BLDC电机的功率重量比非常高。这一点非常重要，因为无人机上使用的电机应具有高功率（高速和高扭矩），但重量也应较小。可以提供与BLDC电机相同的转矩和速度的直流电动机将是BLDC电动机的两倍重量。
　　为什么我们需要一个ESC，它的作用是什么？
　　我们知道每个BLDC电机都需要某种控制器来将电池的直流电压转换成脉冲，为电机的相线供电。该控制器称为ESC，表示电子速度控制器。控制器的主要职责是按顺序激励BLDC电机的相线，以便电机旋转。这是通过检测每根导线的反电动势来完成的，并在磁铁穿过线圈时准确地激励线圈。所以ESC内部有很多硬件亮点，我们这里不打算详细介绍。但是要提一下它有速度控制器和电池消除器电路。
　　● 基于PWM的速度控制：ESC可以通过读取橙色线上提供的PWM信号来控制BLDC电机的速度。它的工作原理与伺服电机非常相似，所提供的PWM信号应具有20ms的周期，并且可以改变占空比以改变BLDC电机的速度。由于同样的逻辑也适用于伺服电机来控制位置，我们可以在Arduino程序中使用相同的伺服库。
　　● 电池消除电路（BEC）：几乎所有ESC都配有电池消除电路。顾名思义，这个电路不需要为微控制器提供单独的电池，在这种情况下，我们不需要单独的电源为Arduino供电; ESC本身将提供一个+ 5V的稳压电源，可以用来为我们的Arduino供电。有许多类型的电路可以调节这个电压，通常它会对廉价的ESC进行线性调节，但你也可以找到带开关电路的电路。
　　● 固件：每个ESC都有一个由制造商写入的固件程序。该固件极大地决定了您的ESC如何响应；一些流行的固件是Traditional、Simon-K和BL-Heli。该固件也是用户可编程的，但我们在本教程中不会涉及到大部分内容。
　　Arduino开发板控制BLDC电机的连接原理图

　　BLDC电机与Arduino开发板的连接非常简单。 ESC需要一个最小12V/5A的电源。 在本篇文章中，我使用的是RPS作为电源，但您也可以使用Li-Po电池为ESC供电。 ESC的三相线应连接到电机的三相线，这些线的连接没有顺序，您可以按任意顺序连接它们。
　　注意：某些ESC控制器上没有连接接口，在这种情况下，请确保连接方式牢固，并使用绝缘胶带保护裸露的电线。由于会有大电流通过相线，任何短路都会导致ESC和电机永久性损坏。
　　ESC中的BEC（电池消除器电路）将会调节输出一个+5V，可用于向Arduino开发板供电。 最后为了设置BLDC电机的速度，我们还使用一个电位器，连接到Arduino的A0引脚。
　　BLDC电机的Arduino程序
　　我们需要创建一个PWM信号，其占空比从0％变化到100％，频率为50Hz。使用电位器控制占空比，以便控制电机的速度。该操作的代码类似于控制伺服电机，因为它们也需要具有50Hz频率的PWM信号；因此我们使用来自Arduino的相同的伺服电机库。完整的代码可以在下面的本页末尾处找到。
　　PWM信号只能在硬件支持PWM的引脚上产生，这些引脚通常用〜符号表示。在Arduino UNO开发板上，引脚9可以产生PWM信号，所以我们将ESC信号引脚（橙色线）连接到引脚9；我们使用以下代码来表示这种连接：
　　ESC.attach（9）;
　　我们需要产生从0％到100％的不同占空比的PWM信号。对于0％占空比，POT将输出0V（0），对于100％占空比，POT将输出5V（1023）。这里，电位器连接到引脚A0，因此我们必须使用模拟信号读取函数从POT读取模拟电压，如下所示
　　int throttle = analogRead（A0）;
　　然后我们必须将值从0到1023转换为0到180，因为值0将生成0％PWM，值180将生成100％占空比。任何高于180的值都没有意义。因此，我们使用map函数将值映射到0-180，如下所示。
　　throttle = map（throttle， 0， 1023， 0， 180）;
　　最后，我们需要将此值发送到伺服函数，以便它可以在该引脚上生成PWM信号。由于我们已将伺服对象命名为ESC，因此代码如下所示，其中变量throttle包含0-180的值以控制PWM信号的占空比
　　ESC.write（throttle）;
　　用Arduino控制BLDC电机
　　根据电路图进行连接，并将代码上传到Arduino开发板并启动ESC。确保已将BLDC电机安装在某物上，因为电机在旋转时会四处跳转。一旦装置通电，ESC将发出欢迎音并持续发出嘟嘟声，直到throttle信号在阈值限制范围内，只需将POT从0V逐渐增加，然后蜂鸣声将停止，这意味着我们现在提供的PWM信号高于下限阈值，当您进一步增加时，电机将开始缓慢旋转。您提供的电压越高，电机将获得的速度越快，最终当电压达到阈值上限以上时，电机将停止加速。然后，您可以重复此过程。



原作者：一板论坛 一板网电子技术论坛