Động cơ BLDC với Arduino: Hướng dẫn nối dây, mã và điều khiển

Cách ESC cho phép Arduino điều khiển động cơ BLDC

Arduino không thể điều khiển trực tiếp ba pha của động cơ BLDC — nó không có công suất hiện tại hoặc logic giao hoán được tích hợp sẵn. Công việc đó thuộc về ESC (Bộ điều khiển tốc độ điện tử), nằm giữa Arduino và động cơ, chuyển đổi một tín hiệuPWM đơn giản thành chuyển mạch ba pha theo thời gian thực sự làm quay rôto.

Từ quan điểm của Arduino, ESC trông giống hệt một servo RC tiêu chuẩn. Nó mong đợi một xung trong khoảng từ 1000 đến 2000 micro giây, lặp lại sau mỗi 20 mili giây, trong đó độ rộng xung ánh xạ tới vị trí ga. Đó là lý do tại sao giống nhau Thư viện servo được sử dụng cho động cơ servo theo sở thích hoạt động để điều khiển ESC - Arduino hoàn toàn không giao tiếp với động cơ, nó giao tiếp với bộ vi điều khiển tích hợp của ESC, xử lý chuyển mạch thực tế.

Kết nối Arduino với động cơ BLDC thông qua ESC

Ba dây động cơ cỡ lớn kết nối thẳng từ động cơ BLDC đến đầu ra ba pha của ESC - thứ tự đầu nối không quan trọng đối với hướng ở giai đoạn này, vì việc hoán đổi hai dây bất kỳ chỉ làm đảo ngược chiều quay. Nguồn điện của động cơ (thường là pin LiPo phù hợp với định mức điện áp của động cơ) kết nối với dây dẫn đầu vào của ESC chứ không phải với Arduino.

Phía tín hiệu đơn giản hơn: một dây dẫn xung quanh chân điều khiển kỹ thuật số Arduino đến đầu vào tín hiệu của ESC, cộng với một điểm nối đất chung giữa Arduino và ESC. Hầu hết các ESC đều bao gồm BEC (Mạch khử pin) trên đầu nối tín hiệu đó, cung cấp điện áp 5V được điều chỉnh trở lại cho Arduino - nghĩa là thường không cần nguồn điện riêng cho bo mạch miễn là đầu ra BEC của ESC được định mức cho dòng điện hiện tại của Arduino.

Mã Arduino để kiểm soát tốc độ cơ bản

Với hệ thống dây điện tại chỗ, bản thân mã sẽ ngắn. Thư viện servo xử lý ESC giống như một động cơ servo và ánh xạ tốc độ vào cùng phạm vi 0-180 mà thư viện sử dụng cho góc:

• Gắn chân tín hiệu ESC bằng cách sử dụng ESC.đính kèm(9, 1000, 2000) , thiết lập phạm vi độ rộng xung một cách rõ ràng
• Đọc chiết áp trên chân analog để điều khiển tốc độ thủ công
• Ánh xạ số đọc tương tự 0-1023 xuống phạm vi 0-180 mà ESC mong đợi
• Viết giá trị được ánh xạ đó với ESC.write(tốc độ) bên trong vòng lặp chính

Mẫu này hoạt động vì định dạng tín hiệu cơ bản giống hệt với định dạng tín hiệu phụ theo sở thích, như được ghi trong tài liệu Tham khảo thư viện Arduino Arduino , giải thích các hạn chế về thời gian xung và chân cắm mà thư viện dựa vào.

Kích hoạt và hiệu chỉnh ESC

Hầu hết các ESC sẽ không quay động cơ ngay sau khi bật nguồn - trước tiên chúng mong đợi một chuỗi kích hoạt, thường được kích hoạt bằng cách giữ tín hiệu ga ở mức tối thiểu trong một hoặc hai giây sau khi khởi động. Bỏ qua bước này là lý do phổ biến nhất khiến động cơ khởi động nhanh khi bật nguồn rồi dừng: ESC đang chờ tín hiệu ga yếu hợp lệ trước khi chấp nhận lệnh.

Hiệu chuẩn đặt ra sự hiểu biết của ESC về độ rộng xung tối thiểu và tối đa để phù hợp với những gì Arduino thực sự gửi. Cấp nguồn cho ESC với tín hiệu ga đã ở mức tối đa, đợi tiếng bíp xác nhận, sau đó giảm xuống mức tối thiểu và đợi lại - điều này sẽ cho ESC biết điểm cuối chính xác mà mã của bạn tạo ra, thay vì dựa vào các giá trị mặc định của nhà máy có thể không khớp với phạm vi được ánh xạ của chiết áp của bạn.

BLDC có cảm biến và không có cảm biến: Tại sao nó thay đổi thiết lập Arduino của bạn

Mọi thứ ở trên đều giả định một động cơ BLDC không cảm biến được ghép nối với một ESC có sẵn — thiết lập dành cho người yêu thích phổ biến nhất và lý do hầu hết các hướng dẫn đều mặc định như vậy. ESC phát hiện vị trí rôto từ EMF ngược được tạo ra trong pha không cấp nguồn, hoạt động tốt khi động cơ quay nhưng có nghĩa là động cơ cần một đoạn khởi động vòng hở ngắn trước khi ESC có thể khóa vào thời gian BEMF.

Động cơ BLDC có cảm biến bổ sung thêm ba cảm biến hiệu ứng Hall báo cáo trực tiếp vị trí rôto, ngay cả ở tốc độ 0 vòng/phút. Điều đó giúp loại bỏ đoạn đường khởi động và mang lại khả năng điều khiển tốc độ thấp mượt mà hơn, nhưng điều đó cũng có nghĩa là ESC hoặc bộ điều khiển phải có đầu vào cảm biến Hall - một ESC không có cảm biến đơn giản không có hệ thống dây điện nào cho chúng. Nếu một dự án cần mô-men xoắn tốc độ thấp chính xác hoặc khởi động và dừng thường xuyên, việc tìm nguồn cung cấp động cơ cảm biến và bộ điều khiển tương thích với Hall ngay từ đầu sẽ tránh phải thực hiện lại thiết lập điều khiển sau này.

Từ nguyên mẫu Arduino đến điều khiển động cơ cấp sản xuất

ESC điều khiển bằng xung điện là công cụ phù hợp để chứng minh một khái niệm — nó rẻ, được ghi chép đầy đủ và không cần phần mềm cấu hình. Nhưng nó cũng có những giới hạn thực sự: không có phản hồi hiện tại tới Arduino, logic bảo vệ tối thiểu và độ phân giải điều khiển gắn với cửa sổ xung 1000-2000 micro giây không mở rộng tốt khi điều khiển mô-men xoắn, điều chỉnh tốc độ vòng kín hoặc báo cáo lỗi trở thành yêu cầu bắt buộc.

Khi một dự án chuyển từ tạo nguyên mẫu sang sản phẩm hiện trường, bước tiếp theo thông thường là bộ điều khiển giao tiếp qua bus kỹ thuật số thay vì một đường tín hiệu điều khiển từ xa. giao diện gỡ lỗi UART-TTL được sử dụng để định cấu hình bộ điều khiển động cơ sản xuất ở đây đóng một vai trò tương tự như màn hình nối tiếp Arduino - nó cho phép bạn đọc các thông số và điều chỉnh hành vi trực tiếp thay vì chỉ đoán từ độ rộng xung.

Đối với các nhóm phát triển sở thích ESC, một điểm vào bộ điều khiển động cơ BLDC có thể lập trình bus CAN của APT cung cấp loại chẩn đoán và giới hạn dòng điện có thể định cấu hình mà ESC cơ bản không thể hiện được. Các ứng dụng cần phản hồi chặt chẽ hơn — cánh tay robot, cơ cấu được kích hoạt, bất kỳ thứ gì có tải thay đổi nhanh — đều được phục vụ tốt hơn bởi bộ điều khiển BLDC phản ứng nhanh được xây dựng cho các ứng dụng vòng kín thời gian thực chứ không phải là một sở thích vòng lặp mở ESC.

Vì thông số kỹ thuật của bộ điều khiển và động cơ cần phải phù hợp với khả năng tương thích của điện áp, dòng điện và cảm biến Hall nên cần xem xét lại hướng dẫn ghép nối bộ điều khiển và động cơ để kết hợp thiết bị điện tử truyền động với thông số kỹ thuật của động cơ trước khi cam kết sử dụng phần cứng để chạy sản xuất. Cũng đáng để hiểu Các lớp phần mềm đang định hình lại việc điều khiển động cơ hiện đại như thế nào , vì việc điều chỉnh cấp độ chương trình cơ sở ngày càng trở thành yếu tố phân biệt một bộ điều khiển sản xuất tốt với một bộ điều khiển chỉ vừa đủ.