มอเตอร์ BLDC พร้อม Arduino: คู่มือการเดินสายไฟ รหัส และการควบคุม

ESC ช่วยให้ Arduino ควบคุมมอเตอร์ BLDC ได้อย่างไร

Arduino ไม่สามารถขับเคลื่อนสามเฟสของมอเตอร์ BLDC ได้โดยตรง เนื่องจากไม่มีความจุกระแสไฟหรือตรรกะการสับเปลี่ยนในตัว งานนั้นตกเป็นหน้าที่ของ ESC (ตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์) ซึ่งอยู่ระหว่าง Arduino และมอเตอร์ โดยแปลงสัญญาณ PWM แบบธรรมดาไปเป็นสวิตช์สามเฟสตามกำหนดเวลาที่หมุนโรเตอร์จริงๆ

จากมุมมองของ Arduino ESC ดูเหมือนเซอร์โว RC มาตรฐานทุกประการ โดยคาดว่าจะมีพัลส์อยู่ระหว่างประมาณ 1,000 ถึง 2,000 ไมโครวินาที ทำซ้ำทุกๆ 20 มิลลิวินาที โดยที่ความกว้างของพัลส์จะจับคู่กับตำแหน่งปีกผีเสื้อ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมเหมือนกัน ห้องสมุดเซอร์โว ใช้สำหรับเซอร์โวงานอดิเรกสำหรับการควบคุม ESC - Arduino ไม่ได้พูดคุยกับมอเตอร์เลย แต่กำลังพูดคุยกับไมโครคอนโทรลเลอร์ออนบอร์ดของ ESC ซึ่งจัดการการสลับที่เกิดขึ้นจริง

การเดินสาย Arduino เข้ากับมอเตอร์ BLDC ผ่าน ESC

สายมอเตอร์เกจหนักสามเส้นเชื่อมต่อจากมอเตอร์ BLDC โดยตรงกับเอาต์พุตสามเฟสของ ESC - ลำดับของตัวเชื่อมต่อไม่สำคัญสำหรับทิศทางในขั้นตอนนี้ เนื่องจากการสลับสายไฟสองเส้นจะทำให้การหมุนกลับด้าน กำลังมอเตอร์ (โดยทั่วไปคือแบตเตอรี่ LiPo ที่ตรงกับพิกัดแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์) จะเชื่อมต่อกับสายอินพุตของ ESC ไม่ใช่กับ Arduino

ด้านสัญญาณนั้นง่ายกว่า: สาย PWM เส้นเดียวจากพินดิจิทัล Arduino ไปยังอินพุตสัญญาณของ ESC บวกกับกราวด์ที่ใช้ร่วมกันระหว่าง Arduino และ ESC ESC ส่วนใหญ่จะมี BEC (วงจรกำจัดแบตเตอรี่) อยู่บนขั้วต่อสัญญาณนั้น ซึ่งจ่ายไฟ 5V แบบควบคุมกลับไปยัง Arduino ซึ่งหมายความว่าโดยปกติแล้วแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากสำหรับบอร์ดจะไม่จำเป็นตราบใดที่เอาต์พุต BEC ของ ESC ได้รับการจัดอันดับสำหรับการดึงกระแสไฟของ Arduino

รหัส Arduino สำหรับการควบคุมความเร็วขั้นพื้นฐาน

เมื่อเดินสายไฟแล้ว รหัสจะสั้น ไลบรารีของเซอร์โวปฏิบัติต่อ ESC เหมือนเซอร์โวมอเตอร์ และแมปความเร็วไปยังช่วง 0-180 เดียวกันกับที่ไลบรารีใช้สำหรับมุม:

• ติดหมุดสัญญาณ ESC โดยใช้ ESC.แนบ(9, 1000, 2000) โดยกำหนดช่วงความกว้างพัลส์อย่างชัดเจน
• อ่านโพเทนชิออมิเตอร์บนพินอะนาล็อกเพื่อควบคุมความเร็วด้วยตนเอง
• แมปการอ่านแบบอะนาล็อก 0-1023 ลงไปที่ช่วง 0-180 ที่ ESC คาดหวัง
• เขียนค่าที่แมปด้วย ESC.write (ความเร็ว) ภายในวงหลัก

รูปแบบนี้ใช้งานได้เนื่องจากรูปแบบสัญญาณพื้นฐานเหมือนกับของเซอร์โวงานอดิเรก ดังที่บันทึกไว้ใน การอ้างอิงไลบรารี Arduino Servo ซึ่งอธิบายข้อจำกัดของจังหวะพัลส์และพินที่ไลบรารีต้องใช้

การติดตั้งและปรับเทียบ ESC

ESC ส่วนใหญ่จะไม่หมุนมอเตอร์ทันทีหลังจากเปิดเครื่อง โดยคาดว่าจะมีลำดับการติดอาวุธก่อน ซึ่งปกติจะทำงานโดยการกดสัญญาณปีกผีเสื้อค้างไว้อย่างน้อยหนึ่งหรือสองวินาทีหลังจากสตาร์ทเครื่อง การข้ามขั้นตอนนี้เป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดที่ทำให้มอเตอร์สตาร์ทในช่วงสั้นๆ เมื่อเปิดเครื่องแล้วหยุด: ESC กำลังรอสัญญาณคันเร่งต่ำที่ถูกต้องก่อนที่จะยอมรับคำสั่ง

การปรับเทียบจะตั้งค่าความเข้าใจของ ESC เกี่ยวกับความกว้างพัลส์ขั้นต่ำและสูงสุดเพื่อให้ตรงกับสิ่งที่ Arduino ส่งจริง จ่ายไฟให้กับ ESC โดยที่สัญญาณคันเร่งอยู่ที่ระดับสูงสุดแล้ว รอเสียงบี๊บยืนยัน จากนั้นลดลงเหลือค่าต่ำสุดแล้วรออีกครั้ง ซึ่งจะสอน ESC ถึงจุดสิ้นสุดที่แน่นอนที่โค้ดของคุณสร้างขึ้น แทนที่จะอาศัยค่าเริ่มต้นจากโรงงานที่อาจไม่ตรงกับช่วงที่แมปของโพเทนชิออมิเตอร์ของคุณ

Sensored vs Sensorless BLDC: เหตุใดจึงเปลี่ยนการตั้งค่า Arduino ของคุณ

ทุกอย่างข้างต้นถือว่ามอเตอร์ BLDC ไร้เซนเซอร์จับคู่กับ ESC ที่มีจำหน่ายทั่วไป ซึ่งเป็นการตั้งค่างานอดิเรกที่พบบ่อยที่สุด และเหตุผลที่บทช่วยสอนส่วนใหญ่ใช้ค่าเริ่มต้น ESC ตรวจจับตำแหน่งโรเตอร์จาก EMF ด้านหลังที่สร้างขึ้นในเฟสที่ไม่มีกำลังไฟฟ้า ซึ่งทำงานได้ดีเมื่อมอเตอร์หมุน แต่หมายความว่ามอเตอร์จำเป็นต้องมีทางลาดสตาร์ทแบบวงเปิดสั้นๆ ก่อนที่ ESC จะสามารถล็อคเข้าสู่จังหวะ BEMF ได้

มอเตอร์ BLDC แบบเซนเซอร์จะเพิ่มเซนเซอร์ Hall Effect สามตัวที่รายงานตำแหน่งโรเตอร์โดยตรง แม้ที่ RPM เป็นศูนย์ก็ตาม ซึ่งจะช่วยขจัดทางลาดสตาร์ทและให้การควบคุมความเร็วต่ำได้ราบรื่นขึ้น แต่ก็หมายความว่า ESC หรือตัวควบคุมจะต้องมีอินพุตเซ็นเซอร์ Hall - ESC ไร้เซ็นเซอร์ธรรมดาไม่มีการเดินสายไฟเลย หากโครงการต้องการแรงบิดความเร็วต่ำที่แม่นยำ หรือการสตาร์ทและหยุดบ่อยครั้ง การจัดหามอเตอร์ที่มีเซ็นเซอร์และตัวควบคุมที่เข้ากันได้กับ Hall ตั้งแต่เริ่มแรก จะช่วยหลีกเลี่ยงการทำงานการตั้งค่าการควบคุมใหม่ในภายหลัง

จากต้นแบบ Arduino ไปจนถึงการควบคุมมอเตอร์ระดับการผลิต

ESC ที่ขับเคลื่อนด้วย PWM เป็นเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับการพิสูจน์แนวคิด ซึ่งมีราคาถูก มีเอกสารครบถ้วน และไม่ต้องใช้ซอฟต์แวร์กำหนดค่า แต่ก็มีข้อจำกัดที่แท้จริงเช่นกัน เช่น ไม่มีการตอบกลับไปยัง Arduino ในปัจจุบัน ตรรกะการป้องกันขั้นต่ำ และความละเอียดในการควบคุมที่เชื่อมโยงกับหน้าต่างพัลส์ 1,000-2,000 ไมโครวินาที ซึ่งไม่สามารถปรับขนาดได้ดีเมื่อการควบคุมแรงบิด การควบคุมความเร็วแบบวงปิด หรือการรายงานข้อผิดพลาดกลายเป็นข้อกำหนด

เมื่อโครงการเคลื่อนผ่านการสร้างต้นแบบไปยังผลิตภัณฑ์ภาคสนาม ขั้นตอนถัดไปตามปกติคือตัวควบคุมที่สื่อสารผ่านบัสดิจิทัลแทนที่จะเป็นสาย PWM เส้นเดียว อินเทอร์เฟซการดีบัก UART-TTL ที่ใช้ในการกำหนดค่าตัวควบคุมมอเตอร์ที่ใช้งานจริง มีบทบาทที่นี่คล้ายกับมอนิเตอร์อนุกรม Arduino ซึ่งช่วยให้คุณอ่านพารามิเตอร์และปรับแต่งพฤติกรรมได้โดยตรง แทนที่จะคาดเดาจากความกว้างพัลส์เพียงอย่างเดียว

สำหรับทีมที่เติบโตเร็วกว่า ESC งานอดิเรก จุดเริ่มต้นเข้าสู่ตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC ที่ตั้งโปรแกรมได้ CAN บัสของ APT นำเสนอการจำกัดกระแสและการวินิจฉัยที่สามารถกำหนดค่าได้ ซึ่ง ESC พื้นฐานไม่เปิดเผย แอปพลิเคชันที่ต้องการการตอบสนองที่เข้มงวดมากขึ้น — แขนหุ่นยนต์, กลไกสั่งการ, อะไรก็ตามที่มีการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างรวดเร็ว — จะได้รับบริการที่ดีกว่าโดย คอนโทรลเลอร์ BLDC ที่ตอบสนองรวดเร็วซึ่งสร้างขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันวงปิดแบบเรียลไทม์ แทนที่จะเป็นงานอดิเรกแบบ open-loop ESC

เนื่องจากข้อมูลจำเพาะของตัวควบคุมและมอเตอร์จำเป็นต้องปรับให้สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความเข้ากันได้ของเซ็นเซอร์ Hall จึงคุ้มค่าที่จะตรวจสอบ คำแนะนำในการจับคู่คอนโทรลเลอร์และมอเตอร์สำหรับการจับคู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของไดรฟ์กับข้อมูลจำเพาะของมอเตอร์ ก่อนที่จะตัดสินใจใช้ฮาร์ดแวร์เพื่อดำเนินการผลิต ก็ควรค่าแก่การทำความเข้าใจเช่นกัน เลเยอร์ซอฟต์แวร์กำลังปรับเปลี่ยนการควบคุมมอเตอร์สมัยใหม่อย่างไร เนื่องจากการปรับแต่งระดับเฟิร์มแวร์เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งที่แยกตัวควบคุมการผลิตที่ดีออกจากตัวควบคุมที่เพียงพอเพียงเท่านั้น