什么是BLDC電機(jī) 通過(guò)Arduino開發(fā)板控制無(wú)感BLDC外轉(zhuǎn)子電機(jī)方案

制作一些小物件，并且讓它們按照自己想要的方式，這一直是一項(xiàng)非常有趣的事情。在達(dá)成一致意見的同時(shí)，制作飛行器會(huì)讓業(yè)余愛好者顯得不是那么很自信。這里，我所說(shuō)的是滑翔機(jī)、直升機(jī)、飛機(jī)和多功能運(yùn)輸機(jī)。今天，由于在線提供社區(qū)的支持，很容易自己制作一個(gè)類似的產(chǎn)品。在這些飛行器中，它們都使用BLDC電機(jī)，那么什么是BLDC電機(jī)？為什么我們需要它來(lái)飛行？有什么特別之處呢？如何購(gòu)買合適的電機(jī)并與控制器連接？什么是ESC，我們?yōu)槭裁匆褂盟?？如果您有這些問(wèn)題，那么本篇文章可以解決您所有的疑惑。

因此，在本篇文章中，我們將使用Arduino開發(fā)板和20A電子速度控制器（ESC）控制A2212 / 1T無(wú)感BLDC外轉(zhuǎn)子電機(jī)（通常用于制作無(wú)人機(jī)）的速度。

所需的材料

● A2212 / 13T BLDC電機(jī)

● ESC控制器（20A）

● 電源（12V 20A）

● Arduino開發(fā)板

● 電位器

了解BLDC電機(jī)

BLDC電機(jī)表示無(wú)刷直流電機(jī)，由于其平穩(wěn)運(yùn)行，常用于吊扇和電動(dòng)汽車。與其他電機(jī)不同，BLDC電機(jī)引出來(lái)三根導(dǎo)線，每根導(dǎo)線形成自己的相位，因此對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)三相電機(jī)。

是的，雖然BLDC電機(jī)被認(rèn)為是直流電機(jī)，它們工作在脈沖波模式下。電子速度控制器（ESC）將來(lái)自電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖，并將其提供給電機(jī)的3根電線。在任何給定時(shí)間，只有兩相電動(dòng)機(jī)將被供電，因此電流通過(guò)一相進(jìn)入并通過(guò)另一相。在此過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的線圈通電，因此轉(zhuǎn)子上的磁鐵自身與通電線圈對(duì)齊。接下來(lái)的兩根導(dǎo)線由ESC通電，繼續(xù)該過(guò)程使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的速度取決于線圈通電的速度，電動(dòng)機(jī)的方向取決于線圈通電的順序。我們將在本文后面詳細(xì)了解ESC。

有許多類型的BLDC電機(jī)可供選擇，讓我們來(lái)看看最常見的分類。

● 內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子BLDC電機(jī)：內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC電機(jī)的工作方式與其他電機(jī)相同。也就是說(shuō)，電機(jī)內(nèi)部的軸旋轉(zhuǎn)，而外殼保持固定。外轉(zhuǎn)子BLDC電機(jī)正好相反，電機(jī)的外殼隨著軸一起旋轉(zhuǎn)，而線圈內(nèi)部保持固定。外轉(zhuǎn)子電機(jī)在電動(dòng)自行車中是非常有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)橥鈿ぃㄐD(zhuǎn)的外殼）本身被制成輪胎的輪輞，因此避免了聯(lián)接機(jī)構(gòu)。此外，外轉(zhuǎn)子電機(jī)往往比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)提供更大的扭矩，因此它成為EV和無(wú)人機(jī)的理想選擇。我們?cè)谶@里使用的電機(jī)也是外轉(zhuǎn)子電機(jī)。

注意：還有另一種電機(jī)，稱為無(wú)芯BLDC電機(jī)，也用于袖珍無(wú)人機(jī)，它們的工作原理不同，本篇文章不對(duì)其進(jìn)行介紹。

● 有傳感器和無(wú)傳感器BLDC電機(jī)：對(duì)于無(wú)需任何加速度即可旋轉(zhuǎn)的BLDC電機(jī)，需要一個(gè)反饋信號(hào)。也就是說(shuō)，ESC必須知道轉(zhuǎn)子中磁鐵的位置和極點(diǎn)，以便據(jù)此激勵(lì)定子。這些信息可以通過(guò)兩種方式獲得：一種是將霍爾傳感器放在電機(jī)內(nèi)?；魻杺鞲衅鲗?a target="_blank">檢測(cè)磁鐵并將信息發(fā)送到ESC，這種類型的電機(jī)稱為Sensord BLDC電機(jī)，用于電動(dòng)車輛。第二種方法是通過(guò)使用線圈在磁鐵交叉時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，這不需要額外的硬件或電線，相線本身用作反饋來(lái)檢查反電動(dòng)勢(shì)。我們的電機(jī)使用的是這種方法，常用于無(wú)人機(jī)和其他飛行項(xiàng)目。

為什么無(wú)人機(jī)和其他多功能直升機(jī)使用BLDC電機(jī)？

從四輪直升機(jī)到直升機(jī)以及滑翔機(jī)，有很多類型的無(wú)人機(jī)，所有這些飛行器都有一個(gè)共同的硬件。那就是BLDC電機(jī)，但為什么呢？為什么他們使用比直流電機(jī)貴一些的BLDC電機(jī)？

這有很多正當(dāng)理由，其中一個(gè)主要原因是這些電機(jī)提供的扭矩非常高，這對(duì)于快速獲得/松動(dòng)推力來(lái)起飛或降落無(wú)人機(jī)非常重要。這些電動(dòng)機(jī)也可用作外圈，再次增加了電動(dòng)機(jī)的推力。選擇BLDC電機(jī)的另一個(gè)原因是它的平穩(wěn)振動(dòng)操作較少，這對(duì)我們的無(wú)人機(jī)在半空中穩(wěn)定非常理想。

BLDC電機(jī)的功率重量比非常高。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)上使用的電機(jī)應(yīng)具有高功率（高速和高扭矩），但重量也應(yīng)較小?？梢蕴峁┡cBLDC電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩和速度的直流電動(dòng)機(jī)將是BLDC電動(dòng)機(jī)的兩倍重量。

為什么我們需要一個(gè)ESC，它的作用是什么？

我們知道每個(gè)BLDC電機(jī)都需要某種控制器來(lái)將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖，為電機(jī)的相線供電。該控制器稱為ESC，表示電子速度控制器?？刂破鞯闹饕氊?zé)是按順序激勵(lì)BLDC電機(jī)的相線，以便電機(jī)旋轉(zhuǎn)。這是通過(guò)檢測(cè)每根導(dǎo)線的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)完成的，并在磁鐵穿過(guò)線圈時(shí)準(zhǔn)確地激勵(lì)線圈。所以ESC內(nèi)部有很多硬件亮點(diǎn)，我們這里不打算詳細(xì)介紹。但是要提一下它有速度控制器和電池消除器電路。

● 基于PWM的速度控制：ESC可以通過(guò)讀取橙色線上提供的PWM信號(hào)來(lái)控制BLDC電機(jī)的速度。它的工作原理與伺服電機(jī)非常相似，所提供的PWM信號(hào)應(yīng)具有20ms的周期，并且可以改變占空比以改變BLDC電機(jī)的速度。由于同樣的邏輯也適用于伺服電機(jī)來(lái)控制位置，我們可以在Arduino程序中使用相同的伺服庫(kù)。

● 電池消除電路（BEC）：幾乎所有ESC都配有電池消除電路。顧名思義，這個(gè)電路不需要為微控制器提供單獨(dú)的電池，在這種情況下，我們不需要單獨(dú)的電源為Arduino供電; ESC本身將提供一個(gè)+ 5V的穩(wěn)壓電源，可以用來(lái)為我們的Arduino供電。有許多類型的電路可以調(diào)節(jié)這個(gè)電壓，通常它會(huì)對(duì)廉價(jià)的ESC進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，但你也可以找到帶開關(guān)電路的電路。

● 固件：每個(gè)ESC都有一個(gè)由制造商寫入的固件程序。該固件極大地決定了您的ESC如何響應(yīng)；一些流行的固件是Traditional、Simon-K和BL-Heli。該固件也是用戶可編程的，但我們?cè)诒?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">教程中不會(huì)涉及到大部分內(nèi)容。

BLDC和ESC的一些常用術(shù)語(yǔ)：

如果您剛剛開始使用BLDC電機(jī)，那么您可能會(huì)遇到制動(dòng)、軟啟動(dòng)、電機(jī)方向、低電壓、響應(yīng)時(shí)間和超前等術(shù)語(yǔ)。我們來(lái)看看這些術(shù)語(yǔ)的含義。

● 制動(dòng)：制動(dòng)是指除去油門后BLDC電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)的能力。這種能力對(duì)于多直升機(jī)非常重要，因?yàn)樗鼈儽仨毟l繁地改變它們的轉(zhuǎn)速以在空中進(jìn)行機(jī)動(dòng)。

● 軟啟動(dòng)：當(dāng)BLDC電機(jī)與齒輪相關(guān)時(shí)，軟啟動(dòng)是一個(gè)重要的特性。當(dāng)電機(jī)啟用軟啟動(dòng)時(shí)，它不會(huì)突然開始非常快速地旋轉(zhuǎn)，無(wú)論油門給出多快，它都會(huì)逐漸增加速度。這將有助于我們減少與電機(jī)連接的齒輪（如果有的話）的磨損。

● 電機(jī)方向：BLDC電機(jī)中的電機(jī)方向通常在運(yùn)行期間不會(huì)改變。但是在組裝時(shí)，用戶可能需要改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。改變電機(jī)方向的最簡(jiǎn)單方法是簡(jiǎn)單地改變電機(jī)的任何兩根電線。

● 低電壓停止：一旦校準(zhǔn)，我們總是需要我們的BLDC電機(jī)以相同的特定速度運(yùn)行以獲得特定的節(jié)流值。但這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)電池電壓降低時(shí)，電機(jī)往往會(huì)在相同的節(jié)流值下降低速度。為避免這種情況，我們通常將ESC編程為在電池電壓低于閾值時(shí)停止工作。此功能稱為低電壓停止，在無(wú)人機(jī)中非常有用。

● 響應(yīng)時(shí)間：電機(jī)根據(jù)油門變化快速改變速度的能力稱為響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，控制越好。

● 超前（Advance）：超前是一個(gè)問(wèn)題，或者更像是BLDC電機(jī)的錯(cuò)誤。所有BLDC電機(jī)都有一些超前。也就是說(shuō)，當(dāng)定子線圈通電時(shí)，轉(zhuǎn)子被吸引向它，因?yàn)樗鼈兩洗嬖谟谰么盆F。在被吸引之后，轉(zhuǎn)子傾向于在線圈斷電之前在相同方向上向前移動(dòng)一點(diǎn)，然后下一個(gè)線圈通電。這種運(yùn)動(dòng)被稱為“超前”，它會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)、溫升、發(fā)出噪音等問(wèn)題。所以一個(gè)好的ESC應(yīng)該避免該問(wèn)題。

好了，我們已經(jīng)有了足夠的理論知識(shí)基礎(chǔ)，現(xiàn)在讓我們連接電機(jī)和Arduino開發(fā)板，開始認(rèn)識(shí)硬件設(shè)計(jì)部分。
編輯：hfy