ESC (Electronic Speed Controller — Электронный Регулятор Скорости) — это электронный компонент в виде печатной платы, который управляет скоростью вращения моторов квадрокоптера, их направлениями вращения и торможением. Он принимает команды от полетного контроллера и преобразует их в электрические сигналы, управляющие работой моторов.

Также ESC преобразует постоянный ток (DC) в переменный (AC). Соответственно, служит мостом между мотором и батареей, регулируя напряжение, которое моторы получают от батареи.

Электронные регуляторы скорости являются критически важным компонентом FPV-дронов, поскольку они непосредственно влияют на продолжительность и надежность полета. От правильного выбора и настройки ESC зависят способность дрона выполнять сложные маневры, стабильность его полета и эффективность энергопотребления.

Взаимодействие с полетным контроллером

Полетный контроллер (flight controller) — это «мозг» FPV-дрона, который собирает данные с различных датчиков (акселерометра, гироскопа, барометра и т.д.) и принимает команды через приемник (ресивер) от пульта дистанционного управления.

На основе этих данных полетный контроллер генерирует управляющие сигналы для ESC.

Основная функция ESC заключается в том, чтобы управлять скоростью вращения моторов. Полетный контроллер генерирует управляющие сигналы, соответствующие командам пилота, например, высота, скорость, направление и т.д. Эти сигналы передаются на ESC через специальные кабели.

ESC принимает эти сигналы и преобразует их в соответствующие команды для моторов. Обычно это измененяемое в соответстиии с применяемы протоколом напряжение. На основе этих команд ESC регулирует скорость вращения моторов, что влияет на скорость, высоту и направление полета дрона.

Управление направлением вращения моторов

ESC позволяет изменять направление вращения моторов. Бесколлекторные двигатели (brushless motors), используемые в FPV-дронах, имеют три фазы обмоток статора мотора.

ESC контролирует подачу электрических импульсов на эти обмотки в определенной последовательности для создания изменяющегося магнитного поля, которое заставляет ротор мотора вращаться.

Современные ESC имеют прошивки, которые позволяют изменять направление вращения моторов через программные настройки. Например, прошивка BLHeli32 для ESC позволяет изменять направление вращения с помощью программного интерфейса. 

В случае необходимости можно изменить направление вращения мотора, поменяв местами два из трех проводов, соединяющих ESC с мотором.

Однако этот метод менее удобен и используется реже.

Активное торможение (Active Braking)

Активное торможение является одной из важных функций, которая позволяет электронным регуляторам скорости ESC обеспечивать точное и быстрое уменьшение скорости или полную остановку моторов. Это особенно полезно для выполнения сложных маневров и быстрого реагирования на команды полетного контроллера.

Активное торможение работает путем создания обратной электродвижущей силы (back EMF), которая противодействует вращательному движению ротора мотора. Это достигается за счет контроля подачи электрического тока на обмотки статора мотора. В традиционных коллекторных моторах, когда ток прекращается, мотор постепенно замедляется из-за внутреннего трения и сопротивления воздуха. Активное торможение ускоряет этот процесс.

Преимущества активного торможения:

• Позволяет дрону быстро менять направление или останавливаться, что важно для выполнения сложных маневров, особенно в гоночных дронах и во время фристайла.
• Вместо постепенного замедления активное торможение позволяет мгновенно уменьшить скорость моторов, что обеспечивает быстрое реагирование на команды пилота.
• Благодаря более точному контролю скорости моторов активное торможение способствует лучшей стабильности и предсказуемости поведения дрона в воздухе.

Защитные функции и энергоэффективность

Современные ESC имеют встроенные защитные функции, такие как защита от перегрузки, перегрева и низкого напряжения. Это помогает предотвратить повреждение моторов и самого ESC в случае возникновения непредвиденных ситуаций.

ESC оптимизирует потребление энергии, обеспечивая эффективную работу моторов. Это позволяет уменьшить расход батарей и продлить время полета дрона.

Протоколы передачи сигналов

Различные прошивки, такие как BLHeli S, BLHeli 32, BlueJay и AM32, предоставляют дополнительные функции и возможности для настройки ESC. Они могут улучшать управляемость и эффективность дрона, а также обеспечивать поддержку различных протоколов передачи сигналов.

В системах управления FPV-дронами используются разные протоколы для передачи команд от полетного контроллера к электронному регулятору скорости. Эти протоколы определяют, как именно передаются сигналы и насколько быстро и точно эти сигналы обрабатываются ESC. Рассмотрим подробно каждый из протоколов: PWM, PPM, One-Shot, Multi-Shot и D-Shot.

PWM (Pulse Width Modulation — Широтно-импульсная модуляция)

Это самый старый и самый распространенный протокол передачи сигналов от полетного контроллера (FC) к ESC. Он использует изменение ширины импульсов для передачи информации о скорости вращения мотора.

Как это работает: Сигнал PWM передает информацию о скорости мотора путем изменения ширины импульсов. Временной интервал, в течение которого импульс находится в высоком состоянии, определяет команду для ESC. Стандартная частота PWM сигнала для ESC обычно составляет 50 Гц (период 20 мс). Это означает, что сигнал обновляется 50 раз в секунду.

Преимущества: простота реализации и совместимость с большинством аппаратных средств.

Недостатки: относительно низкая частота обновления, что может привести к задержкам в управлении, что неприемлемо для скоростных маневров в FPV-дронах.

PPM (Pulse Position Modulation — Импульсно-позиционная модуляция)

Этот протокол обычно используется для передачи сигналов от приемника к полетному контроллеру, но может также использоваться для передачи команд на ESC.

Как это работает: информация передается путем изменения позиций импульсов в серии. Один сигнал PPM может содержать несколько каналов, обычно до восьми.

Преимущества: возможность передавать несколько каналов по одному проводу, что уменьшает количество необходимых подключений.

Недостатки: относительно низкое качество и задержки в передаче/обновлении сигналов.

OneShot

Это протокол, разработанный специально для FPV-дронов с целью обеспечения более быстрой и точной передачи команд от полетного контроллера (FC) к ESC. В OneShot 125 обновление сигналов происходит намного быстрее, чем в PWM. Сигналы передаются с помощью импульсов, длина которых примерно в восемь раз короче импульсов PWM.

Недостатки: требует совместимого оборудования, т.е. менее универсален по сравнению с PWM.

Multishot

Это более быстрый протокол, чем OneShot, разработанный для обеспечения сверхбыстрой передачи сигналов. Сигналы передаются с частотой до 32 кГц, что обеспечивает чрезвычайно быструю реакцию ESC на команды полетного контроллера.

Преимущества: самая высокая частота обновления среди аналоговых протоколов, обеспечивающая максимально быструю и точную реакцию моторов.

Недостатки: высокие требования к аппаратному обеспечению и необходимость в совместимых полетном контроллере и ESC.

D-Shot

Это цифровой протокол, который обеспечивает передачу команд непосредственно в виде цифровых сигналов. Информация передается в виде цифровых пакетов, что устраняет ошибки и неточности, которые могут возникать в аналоговых протоколах.

Существуют разные версии D-Shot, такие как D-Shot 150, D-Shot 300, D-Shot 600 и D-Shot 1200, где цифра указывает на скорость в килобитах в секунду.

Преимущества: высокая точность, отсутствие необходимости в калибровке (как в случае с PWM), возможность передавать дополнительные данные (например, телеметрию).

Недостатки: потребность в современном аппаратном обеспечении (совместимых полетном контроллере и ESC).

Итак, каждый из протоколов управления имеет свои преимущества и недостатки, и выбор зависит от конкретных потребностей и возможностей вашего квадрокоптера. PWM остается самым распространенным из-за своей простоты и совместимости, но для высокоскоростных и точных маневров рекомендуется более быстрый и современный протокол DShot.

Убедитесь, что ваш полетный контроллер поддерживает протоколы ESC, которые используются для связи полетного контроллера с ESC. Например, если прошивка ESC использует протокол DShot, ваш полетный контроллер также должен его поддерживать.

Монтаж ESC 4-in-1 и нумерация моторов

Каждый ESC 4-in-1 имеет свою ориентацию монтажа на раму. Она обозначается цифрами 1-2, 3-4, где 4 и 2 — это перед дрона / front (левый и правый передние), 3 и 1— это зад дрона / rear (левый и правый задние).

Мотор 1 — это всегда передний левый мотор в классической сборке дрона типа X, и по нему можно ориентироваться, какое направление вращения моторов имеет дрон.

Если плата ESC 4-in-1 установлена неправильно (не вперед по направлению полета дрона), то при управлении дрон будет получать неверные команды на моторы, и управлять дроном будет невозможно. В этом случае это можно исправить через изменение кода в прошивке полетного контроллера (например, в Betaflight, поменяв моторы местами в настройках).

Направление вращения моторов

FPV-дроны имеют диагональное направление вращения моторов, где каждая диагональ вращается противоположно другой. Одна пара моторов всегда будет вращаться по часовой стрелке (CW), а другая — против часовой стрелки (CCW). Это делается по нескольким причинам.

Когда мотор вращается, он создает реактивный момент (отдачу) в противоположном направлении, согласно третьему закону Ньютона. Если бы все моторы вращались в одном направлении, дрон начал бы вращаться вокруг своей оси. Но когда моторы вращаются в разных направлениях, реактивный момент одного мотора компенсирует реактивный момент другого, что помогает дрону оставаться стабильным.

Настройка моторов таким образом позволяет дрону легко маневрировать и осуществлять сложные полетные маневры.

Схемы вращения пропеллеров: Props-in и Props-out

Props-in (Пропеллерами внутрь)

По этой схеме пара моторов: передний левый (мотор 1) и задний правый (мотор 4) вращаются по часовой стрелке (Clockwise, CW), а другая пара моторов: передний правый (мотор 2) и задний левый (мотор 3) вращаются против часовой стрелки (Counter-Clockwise, CCW).

Преимущества:

• Исключительно на схеме Props-in будет работать режим "черепашки" (Turtle Mode) для дронов с пропеллерами под рамой ("тандем" или "нижнее расположение пропеллеров"). Потому что именно эта схема вращения пропеллеров создает необходимые потоки воздуха, которые могут выталкивать дрон от земли, когда он будет перевернут.

Недостатки:

• Во время взлета с земли или песка, грязь будет попадать внутрь рамы на электронные компоненты, что может стать причиной короткого замыкания.
• Во время полета все, что будет попадать в передние пропеллеры, будет попадать вам в камеру дрона и потенциально загрязнит камеру, что приведет к дезориентации и падению дрона.
• В случае столкновения с деревом или другими препятствиями, пропеллеры будут как бы засасывать это препятствие, что наносит больше вреда дрону, моторам и самим пропеллерам.

Props-Out (Пропеллерами наружу)

По этой схеме пара моторов: передний левый (мотор 1) и задний правый (мотор 4) вращаются против часовой стрелки (Counter-Clockwise, CCW). А другая пара моторов: передний правый (мотор 2) и задний левый (мотор 3) вращаются по часовой стрелке (Clockwise, CW).

Преимущества:

• Грязь, которая будет попадать во время движения дрона, будет выталкиваться пропеллерами в противоположную сторону от камеры. Таким образом, камера останется чистой, и вы сможете спокойно управлять дроном.
• В случае столкновения с деревом или другими препятствиями, пропеллеры помогут отталкивать дрон от препятствия, что потенциально может уменьшить вред дрону.

Недостатки:

• Если вы запускаете дрон с земли, пыль будет заталкиваться воздушными потоками внутрь рамы на электронные компоненты, что может стать причиной короткого замыкания и сгорания полетного контроллера или ESC.

Типы ESC

На сегодняшний день рынок переполнен самыми разными типами ESC. Существуют ESC в составе AIO (All-In-One), ESC 4-в-1 (4-in-1), ESC для гексакоптеров 6-в-1, для октокоптеров 8-в-1 и отдельные ESC на каждый мотор.

Сейчас доминирует на рынке ESC 4-в-1.

Это означает, что одна печатная плата интегрирует в себе 4 отдельных ESC, каждый из которых управляет отдельным мотором. К одной плате ESC можно подключить 4 мотора. ESC 4-in-1 обеспечивает лучшее распределение веса благодаря нахождению центра масс в середине рамы квадрокоптера, что улучшает реакцию дрона. Однако если один из микроконтроллеров ESC на такой плате выйдет из строя, придется заменить всю плату полностью.

Отдельные ESC на каждый мотор

Отдельный ESC управляет только одним двигателем.

Преимущества:

• Простота использования и экономическая эффективность при замене поврежденного ESC — не нужно менять всю плату.
• Отдельные ESC получают больший поток воздуха и имеют лучшие возможности охлаждения, так как устанавливаются на лучах FPV-дрона.

Недостатки:

• Больше пайки и проводов.
• Большая длина проводов увеличивает задержку сигнала из-за сопротивления.
• Необходимость в дополнительном конденсаторе для каждого ESC.
• Требуется отдельная плата распределения питания (PDB), если полетный контроллер не имеет встроенного PDB.

• Сигналы передаются сначала на PDB, затем на каждый ESC, что усложняет систему.

Привлекательность экономической эффективности отдельных ESC становится сомнительной, потому что ESC 4-в-1 уже достаточно надежны и редко требуют замены.

Выбор ESC: напряжение и ток

Необходимо подбирать ESC, который сможет работать с напряжением, которое будет подавать ваш аккумулятор. Например, если используется аккумулятор 4S с напряжением в заряженном состоянии 16.8 Вольт, то ваш ESC должен быть способен обрабатывать такое напряжение.

Использование слишком высокого напряжения может привести к его повреждению.

Большинство ESC сегодня поддерживают входное напряжение от LiPo аккумулятора от 3S до 6S.

В случае ESC 4-в-1 сила тока означает ток на каждый канал, то есть на каждый мотор.

Это касается и AIO плат. В случае отдельных ESC сила тока указывается для каждой отдельной платы ESC.

Для правильного выбора ESC необходимо знать величину потребления тока двигателем по его паспорту (datasheet). Рекомендуется выбирать ESC с номинальным током на 10 ампер больше, чем потребляет двигатель. Например, если двигатель потребляет 20 А, ESC должен быть рассчитан на 30 А.

Этот запас нужен для защиты ESC от перегрузки и перегрева при резких скачках газа (throttle).

В характеристиках ESC указываются:

• Номинальный ток (Continuous Current): ток, на котором ESC может работать длительное время без перегрева.
• Пиковый ток (Peak/Burst Current): максимальный ток, который ESC может выдать на короткое время (обычно до 10 секунд).

Не стоит покупать ESC со слишком большим запасом по току — это увеличит вес и стоимость. Если выбрать ESC с меньшим номинальным током, чем потребляют двигатели, он может сгореть от перегрузки.

Подключение ESC к полетному контроллеру

Для соединения между собой полетного контроллера и ESC используются следующие сигналы/провода:

• Ground (GND): земля
• 5V (или VCC): питание +5В
• Tele / TX: пин для подключения телеметрии моторов
• Cur: сигнальный пин для измерения тока
• S1, S2, S3, S4 и т.д.: сигнальные пины — по одному на каждый двигатель — для передачи управляющих сигналов

Если полетный контроллер имеет только 4 сигнальных пина, к нему нельзя подключить более 4 моторов. Например, ESC 8-в-1 должен иметь 8 сигнальных пинов (S1–S8), GND, 5V, Tele и Cur.

Монтажный размер ESC

ESC обычно располагаются под полетным контроллером и подключаются через провода. Поэтому ESC должен иметь такой же физический монтажный размер (шаг крепежных отверстий), как и полетный контроллер, чтобы их можно было компоновать стопкой.

Самые популярные размеры ESC 4-в-1: 35×35 мм, 25×25 мм, 20×20 мм. Важно выбирать размер, соответствующий раме и полетному контроллеру. Чем больше ESC, тем мощнее и долговечнее он, благодаря более крупным транзисторам. Также ESC не должен выступать за пределы рамы, чтобы избежать попадания грязи и короткого замыкания.

Внутреннее устройство ESC и роль прошивки

Взаимодействие всех элементов ESC происходит под управлением прошивки — как оркестр, дирижером которого является прошивка.

• MCU (микроконтроллер): «мозг» ESC, в который загружается прошивка.
• Драйверы затворов (Gate drivers): управляют MOSFET-транзисторами, открывая и закрывая их по команде прошивки.
• MOSFET-транзисторы: регулируют ток, подаваемый на двигатель.
• Стабилизатор напряжения (LDO): обеспечивает стабильное питание для MCU.
• Датчик тока (Current sensor): мониторит ток для защиты от перегрузки.
• Фильтрующие конденсаторы (Filtering Capacitors): сглаживают колебания напряжения.

На основе этих данных можно лучше откалибровать и настроить ESC для повышения эффективности.

Прошивки ESC

На сегодняшний день используются четыре основные прошивки для ESC: BLHeli S, BLHeli 32, BlueJay, AM32.

Устаревшие прошивки (KISS, BLHeli, SimonK) больше не рекомендуются.

BLHeli S

Второе поколение прошивки BLHeli для ESC с 8-битными процессорами SiLabs F330/F39x. Прошивка с открытым кодом, но не поддерживает двунаправленный DSHOT. Позволяет настраивать RPM-фильтры в Betaflight для уменьшения вибраций.

Официально больше не обновляется. Многие пользователи перепрошивают BLHeli S на BlueJay для улучшения производительности.

BlueJay

Поддерживает оборудование BLHeli S, но предлагает передовые функции:

• Поддержка двунаправленного DSHOT
• Частоты ШИМ: 24 кГц, 48 кГц, 96 кГц
• Повышение эффективности двигателей и времени полета до 30%
• Телеметрия, мелодии запуска, подсветка рамы и др.

BLHeli 32

Третье поколение BLHeli для 32-битных процессоров (ARM Cortex-M0). Прошивка с закрытым кодом. Предлагает незначительное улучшение по сравнению с BLHeli S, но значительно дороже.

С 30 июня 2024 года лицензии сняты с производства. Прошивка больше не обновляется.

AM32

Прошивка с открытым исходным кодом для ARM-процессоров. Часто превосходит BLHeli32 по эффективности. Является экономически выгодной альтернативой.

Возможности:

• Обновление через Betaflight Pass-Thru
• Поддержка F4 и F7 контроллеров
• Протоколы: Servo-PWM, DSHOT300, DSHOT600, двунаправленный DSHOT
• Телеметрия CASE, защита от заклинивания мотора

AM32 будет обновляться в будущем, что делает его привлекательным для опытных пилотов.

Перепрошивка ESC

Вы можете либо приобрести ESC с нужной прошивкой, либо перепрошить:

• BLHeli S → BlueJay
• BLHeli 32 → AM32

Важно знать: перепрошивка на BLHeli S или BLHeli 32 — односторонняя операция. Вернуть оригинальную прошивку назад невозможно.