无人机的电调及其工作原理是什么？
电子速度控制器(ESC)是电力推进系统的重要硬件组成部分。它就像系统的大脑一样，根据从油门控制器接收到的数据信号告诉电机以多快的转速运行。
对于无人机和遥控车辆等小型场景应用，该控制器的名称为“ESC”，而对于大型的应用场景，它可能被称为电子控制单元、逆变器或电机控制器。
图1：Afro Race Spec 20A ESC
ESC内部的机制以及它与电池和电机的相互作用原理非常吸引人。在本文中，我们将介绍ESC的工作原理、应用协议以及它们使如何控制无刷电机和无人机的基础知识。
目录：
- ESC的工作原理是什么？
- ESC的组件：微控制器(MCU)、栅极驱动器、MOSFET、电池消除器电路(BEC)、设备管理器适配器(DMA)。
- 什么是脉宽调制？
- ESC的应用协议。
- 无刷电机的电调。
- 无人机电调介绍和如何选择合适的电调？
ESC的工作原理是什么？
ESC就像电池和电动机的中间调节人，通过时控电信号来控制电机的转速，还可以通过开关系统将来自电池的直流电转换为电机所需的三相交流电。
车辆的油门控制可用于改变电机的转度，无论是电动汽车、飞机，还是无人机。加大油门会增加电机的输出功率，从而改变ESC电路中开关打开和关闭的速率。
图2：控制器与无人机的机载油门接收器通信
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，我们将在本文后面更详细地介绍这一点。
电调组件
ESC内有许多重要组件，包括微控制器、栅极驱动器和MOSFET（图3），在某些情况下还包括电池等效电路和设备管理适配器等。
图3：ESC的关键组件
（1）微控制器(MCU)
微控制器在ESC的操作中主要有三个主要功能：
- 作为固件载体来解析控制器发来的信号并将解析后的信号馈送至控制回路中。
- 跟踪电机的位置并确保其平稳加速。
- 发送脉冲信号到栅极驱动器以实现所需的命令。
电调中使用的固件通常由制造商预先安装，也可以从第三方获取开源版本。业余无人机中的预装固件通常是BLHeli的变版(BLHeli_S或BLHeli_32)，也可以使用其他软件，如SimonK和KISS。但是固件必须与其硬件兼容，因为它将决定ESC的性能以及支持的应用协议。
微控制器还可以通过有传感器或是无传感器系统来确定电机的位置。其中传感系统使用的是电机中的电子传感器来跟踪转子的位置，对于地面车辆等低转速、高扭矩等应用效果很好。应用更广泛的无传感器系统会通过反电动势来确定转子相对于定子的位置。这在高转速的场景应用效果很好，而一旦电机以较低的转速转动且反电动势较小时，无传感器系统就无法正常工作了。对于螺旋桨的应用一般不会有太多问题，尤其是高转速的应用，无传感器系统则更高效、更便宜、更可靠。
（2）栅极驱动器
栅极驱动器的作用是充当控制器和MOSFET栅极之间的中间人。当接收到微控制器的低压信号后，栅极驱动器放大信号并将高压信号传送到至MOSFET。栅极驱动器的电阻比微控制器低，因此可以提供更高的电流，于是放大了信号的速度。这允许更快的切换和更低的热量产生。一些电调在低压微控制器和高压晶体管之间设置有绝缘光学芯片，我们一般称之为Opto-ESC。
（3）场效应晶体管
金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET是为电机供电的选择性开关。ESC一共有六个这样的晶体管，电机的每根电线都连接到其中的两个晶体管上。MOSFET接收来自微控制器的信号，然后向电机供电，使其每个线圈处于以下其中的三个阶段之一：高压、低压或关闭/接地。
当电机旋转时，来自MOSFET的信号会切换线圈的相位，从而使转子保持旋转。ESC使用直流电与开关系统耦合来提供交流三相电流（图4）。油门输入越高，开关频率越快，使得电机的转速更高。目前有多种信号传输协议支持控制上述过程，每种协议都具备不同的性能和信号频率。
图4：ESC电路中开关的打开和关闭
（4）电池消除器电路
ESC通常具有内置的电池消除器电路(BEC)，它并不是消除对电池的需求，而是提供电压调节器的功能，以消除集成电子设备需要配备单独电池的需求。通过BEC的电源被降至较低的电压，通常为5V, 从而安全地为油门接收器和集成系统的任何其他电子设备供电（图5）。
图5：电力推进系统接线，包括ESC和BEC
（5）设备管理适配器(DMA)
设备管理适配器(DMA)帮助用户将他们的ESC连接到计算机来下载固件，并将其更新为使用高级编程的选项来定制他们的设备。这可以使ESC始终保持在最新版本的状态，同时提供高级设置功能，例如电压切断、油门校准模式和电机方向等。
设备管理适配器(DMA)通常是特定品牌的ESC才具有的功能选项，并非适用于所有ESC。
图6：来自KDE Direct的DMA与其UAS ESC兼容
什么是脉冲宽度调制？
脉冲宽度调制(PWM)是至今仍在使用的历史上的第一个ESC协议。PWM将油门控制器的输入信号转化为定时的功率脉冲来控制电机的转速。油门控制器向ESC的微控制器发送一个信号，告诉它从电池中提取多少电压值并最终传送至电机的转子。
信号以脉冲形式传递，其宽度决定了电压的持续作用时间，电压脉冲（“开”）被不提供电压的“关”时段隔开。“开启”时间与“关闭”时间的比率越大，传递的功率就越多，转子转动得就越快。“开”与“关”时间的比率也称为占空比。
在PWM系统中，脉冲的长度从~1000μs到~2000μs不等。最初阶段，信号每隔50毫秒发送一次脉冲，但随着时间的推移，信号发送频率会越来越高，变至每隔2.04毫秒（490赫兹）发送一次信号。而如果频率为500Hz时，信号将会100%的“开启”，这种状态将被判定为故障。
栅极驱动器从微控制器获取电压值并将其传送至MOSFET, 并驱动它们在三相之间切换。到达MOSFET的电压值越高，它们切换相位的速度就越快，转子的转速得就越高。
如果您在x轴上绘制时间，在y轴上绘制电压，您可以看到在该系统中如何控制或调制“脉冲宽度”的（图7）。
图7：最小和最大油门时的脉冲长度（毫秒）
您可以通过获取随时间变化的平均电压（“开”和“关”信号）并将其乘以电机的Kv额定值来估算您的RPM。
ESC的应用协议
ESC协议本质上是飞控用来与ESC通信的语言，它们使用独特的信号模式来传达油门信息，同时通过改变信号的速度来改变电机的转速。
（1）常用的ESC协议
在2015年之前，PWM是小型无人机唯一的商用ESC协议。人们后续又创建了几个新协议，2017年之后开发的硬件通常支持现有的全部或大部分协议。
最常用的协议包括Oneshot125、Oneshot42、Multishot和Dshot300、Dshot600和Dshot1200。Oneshot和Multishot协议使用PWM等模拟信号，而Dshot(Digital shot)则使用数字信号。
模拟协议需要校准以确保飞控和ESC中的振荡器（时钟）保持同步，而数字协议不需要此步骤。如果不进行此时钟校准，您的无人机可能无法如期做出正确的响应，因为ESC会错误的解析信号的长度。
（2）DShot
Dshot1200是目前最快的应用协议，每秒可传输1,200,000位数据。Dshot1200的固定信号长度仅为13μs, 几乎是Multishot的两倍，后者是第二快的协议，信号长度为25μs（图8）。虽然Dshot1200速度惊人，但有人说Dshot600和Dshot1200之间的差异在实践中其实可以忽略不计。
图8：常见协议的信号长度（以微秒为单位）
低延迟意味着飞行器的更快速响应，但对于有较大机身的四轴飞行器和螺旋桨来说，因其自身惯性的原因，上述现象就变得不那么明显。同时高频的飞控也会消耗更多的功率，因此如果车辆不需要它，则不建议如此操作。
（3）发展前景
Proshot是一个非常独特的协议，它同时包含数字信号和模拟信号元素。该协议将DShot信号编码为PWM脉冲-每个脉冲包含4位数据。这种编码意味着您可以将16位数据放入仅4个PWM的脉冲中。与DShot类似，使用Proshot时不需对ESC校准。
Proshot1000每秒提供1,000,000位数据，略低于最快的DShot协议。关于哪种协议在实践中具有更高的CPU使用率存在争议，目前还没有明确的答案。
从2018年开始，市场上就出现了可以通过BLHeli_32固件并支持Proshot的电调。
无刷电机电调
正如我们所了解的，ESC的作用是用一种可控制的方式将电能从电池输送到电机。如果您在控制器上输入50%的油门，则ESC将为电机提供50%的“动力”。什么是“动力”取决于其使用的固件。一些设备获得的是发送到电机的平均电压，一些则以转速为目标，有些则会混合使用两者。
ESC的其中一端有两根线连接到电池，一根红色（正极）线和一根黑色（负极）线（图9），而另一端是三根电线，将ESC连接到无刷电机。如果电机与电调连接后旋转方向发生错误，切换任意两根线都会使其旋转方向变正确。最后，ESC的扩展会被连接到由BEC供电的油门接收器上。
图9：带电池接线的ESC（左）、油门接收器（中）和电机连接（右）
无刷电机内部包含两个组件：转子（包含永磁体）和定子（包含铜线圈）。当电流传递到定子的线圈时，它会变成一个电磁体并形成一个北极和南极。当电磁铁的极性与它所面对的永磁体的极性进行匹配时，因为同性互斥使得转子旋转。电流由ESC以三相信号的形式提供，并不断改变电磁铁的极性，从而使转子一直保持旋转。
为了完成上述启动过程，ESC需要预先知道转子的位置，以便确定去选择激活哪些电磁铁。ESC使用霍尔效应传感器以确定转子在传感器电机中的位置，同时将传感信息以相位输出并同转子得角度精准同步，以确保转子平稳地加速。在没有传感器的电机中（更常用于无人机），启动过程的稳定性会稍差一些。ESC将向电机发送预定序列以使其启动。只要电机有足够的速度，反电磁力（反电动势）就足以使ESC获得预估精确位置并与信号脉冲同步。
无人机电调介绍和如何选择合适的电调？
选择ESC是无人机设计过程的重要组成部分。您希望确保它满足您的飞机的电力需求，而不会过度消耗您的电池。以下是选择ESC时需要考虑的几个因素。
（1）电调电流额定值
ESC的额定电流应比电机的额定电流高10-20%。这将防止它过热，并在以最大油门运行时提供一点摆动空间。您不希望高于此范围以最小化重量。ESC应在类似于飞行的条件下进行测试，因为主要限制是热。高温和低空气循环会降低ESC额定值和使用寿命。一些ESC有两个额定电流：连续和突发。持续电流可持续很长一段时间，而突发电流只能持续很短的时间。
（2）电调电压
ESC有一个最大电压限制，可以作为电压范围或电池范围给出。例如，额定为3S-8S电池的ESC将支持11.1-33.6V的电压。ESC可以让您设置一个关闭电压，当电池电压变得过低时会提醒您（每个电池3.0-3.4V )以免损坏电池。这些系统称为低压切断(LVC)，它们会降低ESC可以提供的最大功率。最终，ESC将关闭电机。
（3）用于四轴飞行器的4合1ESC
将ESC连接到四轴飞行器时，您可以为每个电机配备一个ESC, 或者使用带有单板和四个电机连接器的4合1ESC（图10）。如果电机具有高功率消耗，拥有四个ECS可以帮助分散热负荷，而4合1 ESC是节省空间和限制硬件重量的绝佳选择。
图10：iFlight的4合1ESC
结论
在本文中，我们介绍了ESC基础知识：它们如何工作、关键组件、协议以及它们如何与无刷电机和无人机一起工作。对这个重要的无人机组件有一个很好的理解可帮助你提高你的知识和你的构建。