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无人机电子调速器(ESC)的详细解析及其工作原理
2025-10-21 16:48

电子速度控制器(ESC)是电力推进系统的关键硬件组件。它如同系统的指挥中枢,依据从油门控制器接收的指令信号,指示电机应达到的转速。

在无人机、遥控车等小型应用场景中,这一控制器被称作“ESC”;而在大型应用场景里,它可能以电子控制单元、逆变器或电机控制器的名义出现。

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无人机电子调速器的工作原理主要基于脉冲宽度调制(PWM)信号控制。当飞行控制器发出指令时,电调接收这些指令并通过内部的微控制器解析和处理。微控制器根据指令调整栅极驱动器的输出信号,进而控制MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的开关状态。MOSFET作为电机的选择性开关,通过改变电压和电流的输出,控制电机的转速和转向。

具体来说,当微控制器接收到加速指令时,它会增加栅极驱动器输出信号的频率和占空比,使MOSFET更快地切换相位,从而提高电机的转速。相反,当接收到减速指令时,微控制器会降低输出信号的频率和占空比,使MOSFET切换相位的速度减慢,从而降低电机的转速。

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此外,电调还内置了多种保护机制,如过流保护、过热保护等,以确保在电机过载或异常情况下能够及时切断电源,保护电机和电调不受损坏。

目前ESC常用的协议有:PWM、Oneshot、Multishot和Dshot。这几种协议最主要的区别是他们传输的信号采用的是不同的频率。信号的频率越高,无人机的操控性越好。另外,Dshot协议与其他协议不同的地方是它发送的是数字信号而不是模拟信号,本身对电噪声不太敏感,使得信号更加精确并拥有更高的分辨率

电调组件详解

电子速度控制器(ESC)内部集成了多个核心组件,主要包括微控制器、栅极驱动器、MOSFET,并且在某些配置中还包含了电池消除器电路(BEC)和设备管理适配器(DMA)等。

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(1)微控制器(MCU) - 智慧核心

微控制器在ESC中扮演着至关重要的角色,它承担三大主要任务:

ESC中的固件通常由制造商预置,同时市场上也存在第三方提供的开源版本。在业余无人机领域,BLHeli及其变种(如BLHeli_S、BLHeli_32)是常见的预装固件,此外,SimonK和KISS等也是可选的固件方案。固件与硬件的兼容性至关重要,它直接影响ESC的性能及应用协议的支持范围。

微控制器还能通过传感器或无传感器系统来确定电机位置。传感器系统依赖于电机内置的传感器来追踪转子位置,适用于低转速、高扭矩的应用场景。而无传感器系统则利用反电动势来确定转子与定子的相对位置,更适用于高转速环境。尽管在低转速下,无传感器系统可能面临挑战,但在螺旋桨等高速应用场景中,其高效、经济、可靠的特性尤为突出。

(2)栅极驱动器 - 信号放大器

栅极驱动器作为微控制器与MOSFET之间的桥梁,负责接收微控制器的低压信号,并将其放大为高压信号,再传递给MOSFET。由于其内阻较低,栅极驱动器能够提供更高的电流,从而加快信号传输速度,减少热量产生。部分ESC采用绝缘光学芯片(Opto-ESC)设计,实现低压微控制器与高压晶体管之间的安全隔离。

(3)场效应晶体管(MOSFET) - 动力开关

MOSFET是ESC中用于控制电机供电的选择性开关。每个ESC包含六个MOSFET,电机的每根电线分别连接至其中的两个。MOSFET根据微控制器的指令,向电机线圈提供高压、低压或接地状态,从而控制电机的旋转。随着电机的转动,MOSFET切换线圈的相位,保持转子持续旋转。ESC通过直流电与开关系统的结合,为电机提供交流三相电流。油门输入的增加会提高开关频率,进而提升电机转速。这一过程支持多种信号传输协议,每种协议在性能和信号频率上各有千秋。

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(4)电池消除器电路(BEC) - 电源管理

ESC通常内置电池消除器电路(BEC),其并非消除电池需求,而是作为电压调节器,为集成电子设备提供稳定的低压电源(通常为5V),从而省去了为这些设备单独配备电池的麻烦。BEC确保了油门接收器及其他电子设备的安全供电。

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(5)设备管理适配器(DMA) - 固件更新与定制

设备管理适配器(DMA)是部分品牌ESC提供的特色功能,它允许用户将ESC连接至计算机,以便下载并更新固件。通过DMA,用户还可以利用高级编程选项对ESC进行个性化设置,如电压切断、油门校准模式、电机方向调整等。这一功能不仅确保了ESC始终保持最新版本,还提供了丰富的定制选项,以满足不同用户的需求。然而,DMA并非所有ESC的标配,其可用性因品牌而异。


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ESC通信协议

ESC(电子速度控制器)协议,作为飞控系统与ESC之间的沟通桥梁,采用特定的信号模式来传递油门指令,并通过调节信号速率来实现对电机转速的精准控制。

(1)主流ESC协议介绍

回溯至2015年前,PWM(脉冲宽度调制)协议在小型无人机领域的ESC通信中独领风骚。随着技术的进步,一系列新协议应运而生,使得2017年后问世的硬件普遍支持多种或全部主流协议。

当前,Oneshot125、Oneshot42、Multishot以及Dshot系列(包括Dshot300、Dshot600、Dshot1200)是应用最为广泛的协议。Oneshot与Multishot协议基于PWM模拟信号,而Dshot(数字射击)协议则采用了数字信号传输方式。

值得注意的是,模拟协议如Oneshot和Multishot,需要执行时钟校准步骤,以确保飞控与ESC内部的振荡器同步。若此步骤被忽略,可能导致ESC错误解读信号长度,进而影响无人机的响应速度。相比之下,数字协议如Dshot则无需时钟校准,简化了设置流程。

(2)DShot协议深度解析

Dshot1200作为当前速度最快的ESC协议,每秒能够传输高达1,200,000位的数据。其信号长度仅为13微秒,相较于第二快的Multishot协议(信号长度为25微秒),几乎缩短了一半。尽管Dshot1200的速度优势显著,但在实际应用中,Dshot600与Dshot1200之间的差异往往微乎其微,难以察觉。

低延迟意味着更快的飞行器响应速度,这对于追求极致操控体验的飞手而言无疑是一大福音。然而,对于体型较大、惯性较强的四轴飞行器或螺旋桨而言,这种速度差异可能并不明显。同时,高频飞控也会带来更高的能耗,因此,在无需极致响应速度的情况下,选择功耗更低的协议可能更为明智。

(图片源自网络)

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