تُستخدم محركات التيار المستمر بدون فرش (BLDC) ذات الدوران الخارجي على نطاق واسع في الطائرات بدون طيار، والطائرات التي يتم التحكم فيها عن بُعد، والروبوتات الهواة، والدراجات الكهربائية، وذلك بفضل نسبة عزم الدوران إلى الوزن العالية وكفاءتها. يُعدّ مُتحكّم السرعة الإلكتروني (ESC) مُكوّنًا أساسيًا في أي نظام يستخدم محركات BLDC، فهو بمثابة حلقة الوصل بين إشارات التحكم (مثل PWM أو بروتوكولات أخرى) والطاقة المُزوّدة للمحرك.
يتطلب اختيار وحدة التحكم الإلكترونية المناسبة فهم كيفية عملها، وأنواع طرق التحكم التي تدعمها (PWM مقابل FOC)، وقيم الجهد والتيار، وميزات أخرى مثل القياس عن بُعد والتبريد والبرمجيات الثابتة. في هذا الدليل، ستتعرف على:
- مبادئ تشغيل وحدة التحكم الإلكترونية في الثبات
- طرق التحكم: تعديل عرض النبضة مقابل التحكم الموجه للمجال
- اعتبارات الجهد
- التصنيفات الحالية والتيار المستمر مقابل تيار الذروة
- الكفاءة والإدارة الحرارية
- ميزات إضافية
- قائمة التحقق من الاختيار وجداول المقارنة
- أمثلة على اقتران وحدة التحكم الإلكترونية بالمحرك
- ملخص وتوصيات
تشغيل وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة: الأساسيات
تستقبل وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) إشارة تحكم منخفضة الجهد (مثل إشارة تعديل عرض النبضة من وحدة تحكم الطيران) وتقوم بتحويل تيار مستمر عالي الجهد إلى ملفات المحرك ثلاثي الأطوار ذي الفرشات (BLDC) بتسلسل محدد لتدويره. ويتضمن ذلك ما يلي:
- تبديل MOSFET عالي السرعة لتشغيل المراحل
- منطق التبديل لتحديد المراحل التي يجب تشغيلها
- الاستشعار (القوة الدافعة الكهربائية العكسية أو أجهزة الاستشعار) لتحديد الموقع
- دوائر الحماية من الجهد الزائد والتيار الزائد وقطع الجهد المنخفض (LVC)
المؤشرات الرئيسية:
- تصنيف الجهد (فولت): أقصى جهد بطارية يمكن أن يتحمله منظم الجهد الإلكتروني
- التيار المستمر (أمبير): التيار الذي يمكن أن يتحمله منظم الجهد الإلكتروني بشكل غير محدود، ويتوقف على التبريد.
- تيار الانفجار (أمبير): قدرة التيار العالي لفترة قصيرة (على سبيل المثال، 10 ثوانٍ)
- طريقة التحكم: PWM (ست خطوات) أو FOC (التحكم الموجه للمجال)
- البرامج الثابتة: على سبيل المثال، BLHeli، KISS، VESC، برامج FOC الثابتة المتخصصة
طرق التحكم: تعديل عرض النبضة مقابل التحكم الموجه للمجال
التحكم بتقنية تعديل عرض النبضة / “الخطوات الست”
الطريقة التقليدية – وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) تُشغّل المحرك بست خطوات تبديل.
أبسط، وأقل استهلاكاً للموارد الحاسوبية، ولكن:
- ينتج شكل موجة متدرج – المزيد من التموجات وتموجات عزم الدوران.
- عدم وجود تحكم مثالي في متجه التيار ← أقل كفاءة قليلاً، وأكثر ضوضاءً.
التحكم الموجه للمجال (FOC)
يطبق التحكم الاتجاهي لتشغيل المحرك بناءً على توجيه مجال الدوار/الجزء الثابت في الوقت الحقيقي.
يسلم:
- عزم دوران ودوران سلسان للغاية.
- انخفاض الضوضاء الكهربائية، وانخفاض سخونة المحرك.
- كفاءة أعلى، خاصة عند دورات منخفضة في الدقيقة وأحمال جزئية.
يتطلب ذلك المزيد من قوة المعالجة وأحيانًا استشعار التيار والجهد (مثل وحدات التحكم الإلكترونية القائمة على VESC).
جدول المقارنة
| ميزة | تعديل عرض النبضة (ست خطوات) | التحكم الموجه للمجال (FOC) |
| تخفيف | ست خطوات | متجه (جيبي) |
| نعومة | متوسط؛ تموج عزم الدوران | سلس للغاية، مع أدنى حد من تموج عزم الدوران |
| كفاءة | جيد، أقل عند عدد دورات منخفض في الدقيقة | أداء ممتاز عبر نطاق واسع من سرعة دوران المحرك |
| ضوضاء (مسموعة) | أعلى (طنين) | أكثر هدوءًا |
| التعقيد / التكلفة | أدنى | أعلى (يتطلب متحكمًا دقيقًا متطورًا، وأجهزة استشعار) |
| أمثلة على البرامج الثابتة | BLHeli, KISS (غير مجاني) | VESC، BLHeli_S (FOC)، FOC مخصص |
اعتبارات الجهد
يجب أن يتطابق تصنيف جهد وحدة التحكم الإلكترونية (ESC) مع متطلبات جهد البطارية والمحرك:
- تصنيفات ESC الشائعة: من 2S إلى 6S LiPo (من 7.4 فولت إلى 22.2 فولت)، أو في الدراجات الكهربائية / فئة الهوايات: 24 فولت، 36 فولت، 48 فولت، إلخ.
- الهامش أمر ضروري – اختر وحدة تحكم إلكترونية (ESC) مصنفة بجهد أعلى قليلاً من الجهد الاسمي للبطارية لاستيعاب ارتفاعات الجهد والتجاوزات.
أمثلة على العلاقة بين الجهد والبطارية
| طلب | نوع البطارية | الجهد الاسمي | تصنيف جهد وحدة التحكم الإلكترونية |
| طائرة بدون طيار صغيرة | 3 خلايا ليثيوم بوليمر | ≈11.1 فولت | 3 S–4 S (12 V–16.8 V) |
| طائرة سباق بدون طيار بتقنية FPV | 4 خلايا ليثيوم بوليمر | ≈14.8 فولت | 4 S–5 S (16.8 V–21 V) |
| دراجة كهربائية / سكوتر | بطارية ليثيوم أيون | ≈36 فولت | 36 فولت – 48 فولت |
| سيارة إي روفر أكبر | بطارية ليثيوم أيون | ≈48 فولت | 48 فولت – 60 فولت |
تأكد دائمًا من أن الحد الأقصى لتصنيف الجهد الكهربائي لوحدة التحكم الإلكترونية يتجاوز ذروة الجهد تحت الحمل (بطارية ليثيوم بوليمر مشحونة بالكامل ~4.2 فولت لكل خلية).
التصنيفات الحالية: التيار المستمر مقابل التيار النبضي
ربما يكون اختيار التصنيف الحالي هو الجزء الأكثر أهمية.
- التيار المستمر: أقصى تيار يمكن أن يتحمله منظم السرعة الإلكتروني إلى أجل غير مسمى (عادةً مع التبريد المناسب).
- تيار الانفجار: تصنيف قصير المدى، على سبيل المثال، 5-10 ثوانٍ.
قارن دائمًا تصنيف وحدة التحكم الإلكترونية (ESC) مع سحب التيار المتوقع لمحركك في ظروف التشغيل الخاصة بك.
بيانات تيار المحرك كمثال
لنفترض محرك BLDC خارجي الدورانتم قياس سحب التيار التالي:
| حالة التحميل | الجهد االكهربى | سحب التيار |
| وضع الخمول (بدون حمل) | 12 فولت | 0.5 أمبير |
| التحليق / حمولة خفيفة | 12 فولت | 10 أ |
| أقصى قوة / ثقيل | 12 فولت | 20 أ |
| كشك | 12 فولت | 25 أ |
في هذه الحالة، ينبغي على وحدة التحكم الإلكترونية في الثبات (ESC) ما يلي:
- حافظ على تيار مستمر لا يقل عن 20 أمبير
- تحمل تيارًا لحظيًا بقوة 25 أمبير لأغراض السلامة والتشغيل
جدول تصنيفات التيار الكهربائي لوحدة التحكم الإلكترونية (نماذج مثال)
| نموذج ESC | الجهد (S LiPo) | التيار المستمر | تيار الانفجار | نوع التحكم |
| ESC-A (الميزانية) | 2-4 جنوباً | 20 أ | 25 أمبير (5 ثوانٍ) | تعديل عرض النبضة |
| ESC-B (متوسط المدى) | 3-6 جنوباً | 30 أ | 40 أمبير (10 ثوانٍ) | PWM / FOC |
| ESC-C (عالي الجودة) | 4-6 جنوباً | 40 أ | 60 أمبير (10 ثوانٍ) | مجاناً فقط |
| ESC-D (نمط الدراجة الكهربائية) | 10S (~36V) | 100 أ | 150 أمبير (10 ثوانٍ) | نار |
الكفاءة والإدارة الحرارية
الحرارة هي العدو اللدود لوحدة التحكم الإلكترونية (ESC). تؤثر كفاءة التبريد واستراتيجياته بشكل كبير على الأداء وعمر الوحدة.
اختلافات الكفاءة: غالبًا ما تعمل وحدات التحكم الإلكترونية FOC بكفاءة أعلى بنسبة تتراوح بين 2 و5% عند الأحمال الجزئية. في نظام 12 فولت يسحب 20 أمبير (240 واط)، يمثل توفير 5% انخفاضًا ملحوظًا في الحرارة بمقدار 12 واط.
طرق التبريد:
- السلبي: مشتتات حرارية من الألومنيوم، تدفق الهواء
- نشط: مراوح مدمجة أو إضافية
- التبريد السائل: للمنشآت عالية الطاقة
| نوع وحدة التحكم الإلكترونية | طريقة التبريد | الارتفاع النموذجي في درجة الحرارة | تعليق |
| ميزانية PWM ESC | الزعانف السلبية + تدفق الهواء | +30 درجة مئوية | قد يتطلب الأمر تدفق هواء خارجي |
| وحدة تحكم إلكترونية متوسطة المدى بتقنية FOC | زعانف + مروحة صغيرة | +20 درجة مئوية | أداء أفضل تحت الأحمال العالية |
| وحدة تحكم إلكترونية متطورة بتقنية FOC | زعانف كبيرة + مروحة | +10 درجة مئوية | نادرًا ما يحدث تباطؤ حراري |
ميزات إضافية يجب مراعاتها
دعم القياس عن بعد – القدرة على إرسال تقارير عن سرعة الدوران والتيار والجهد ودرجة الحرارة إلى وحدة التحكم في الطيران.
دائرة إزالة البطارية (BEC) – منظم جهد مدمج 5 فولت/6 فولت لتشغيل الراديو/جهاز الاستقبال:
يتم تصنيفها بالأمبير: على سبيل المثال، 2 أمبير، 3 أمبير.
إمكانية البرمجة – عبر وصلة USB أو بلوتوث أو واجهة مخصصة للمؤشر والمقياس.
دعامة الفرامل – مفيدة في الدراجات الكهربائية والروبوتات.
أوضاع بدء التشغيل – بدء التشغيل الناعم، والكبح النشط، والكبح حتى الصفر، وضبط توقيت المحرك.
دعم البرامج الثابتة:
- BLHeli: شائع في الطائرات بدون طيار متعددة المراوح، ويدعم عادةً كلاً من نوعي PWM وFOC
- برنامج VESC الثابت: يُستخدم على نطاق واسع في الزلاجات الكهربائية، والروبوتات، وضبط FOC المتقدم
قائمة التحقق والمقارنة لاختيار ESC
قائمة التحقق من اختيار ESC
- توافق الجهد: أقصى جهد لوحدة التحكم الإلكترونية > ذروة جهد البطارية
- السعة الحالية: مستمر ≥ سحب الحالة المستقرة؛ نبضي ≥ بدء التشغيل/التوقف وذروة الارتفاعات
- طريقة التحكم: تعديل عرض النبضة (PWM) إذا كان السعر عاملاً مهماً؛ التحكم الموجه للمجال (FOC) لتحسين الكفاءة وتقليل الضوضاء وسلاسة التشغيل
- حل التبريد: دمج مسار الحرارة مع ملف تعريف حمل المحرك
- الميزات المطلوبة: القياس عن بُعد، وحدة تنظيم الجهد، البرمجة، الكبح، معالجة بدء التشغيل
- الشكل والوزن: مهمان للطائرات بدون طيار والمنصات المتنقلة
- دعم البرامج الثابتة والمجتمع: توفر برامج الضبط والتحديثات والوثائق
جدول مقارنة العينات
| نموذج ESC | الفولتية | التيار المستمر | تيار الانفجار | نوع التحكم | تبريد | القياس عن بعد | BEC | ملحوظات |
| ESC-A | 2-4 جنوباً | 20 أ | 25 أ | تعديل عرض النبضة | الزعانف السلبية | لا | 5 فولت / 2 أمبير | طائرة بدون طيار اقتصادية |
| ESC-B | 3-6 جنوباً | 30 أ | 40 أ | PWM/FOC | مروحة صغيرة | نعم | 5 فولت / 3 أمبير | متوسط المدى، جاهز للطائرات متعددة المراوح |
| ESC-C | 4-6 جنوباً | 40 أ | 60 أ | نار | مروحة + زعانف | نعم | 6 فولت / 3 أمبير | فئة السباقات، سلسة FOC |
| ESC-D (دراجة كهربائية) | 10 S | 100 أ | 150 أ | نار | زعانف كبيرة + مروحة | نعم | لا | أنظمة الدراجات الكهربائية عالية العزم |
أمثلة على التوافق: المحرك ووحدة التحكم الإلكترونية
مثال 1: طائرة سباق صغيرة بدون طيار
- المحرك: حجم 2205، KV 2300، يسحب تيارًا مقداره 15 أمبير تقريبًا عند أقصى سرعة باستخدام بطارية 4S
- البطارية: 4 خلايا ليثيوم بوليمر (الجهد الاسمي 14.8 فولت، ذروة الجهد ~16.8 فولت)
- وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة (ESC): تحتاج إلى تيار مستمر ≥ 20 أمبير، ونبضة ~25 أمبير، مصنفة 5 ثوانٍ للحمل الزائد؛ تحكم سلس → وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة B (3-6 ثوانٍ، 30 أمبير مستمر، 40 أمبير نبضة، PWM/FOC، مروحة صغيرة)
مثال 2: محرك قيادة الدراجة الكهربائية
- المحرك: محور تروس خارجي، يسحب 60 أمبير عند الذروة، و30 أمبير أثناء التشغيل على بطارية 36 فولت (10 S)
- البطارية: 36 فولت اسميًا (42 فولت ذروة تقريبًا)
- وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة (ESC): تحتاج إلى تيار مستمر ≥ 30 أمبير، وتيار لحظي ≥ 60 أمبير؛ يُفضل استخدام وحدة التحكم بالتيار الموجه (FOC) لضمان سلاسة التشغيل وتجديد الطاقة. وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة من نوع D (10 ثوانٍ، 100 أمبير مستمر) متوافقة.
مثال 3: قارب تحكم عن بعد بحمولة ثقيلة
- المحرك: محرك خارجي كبير، يسحب 25 أمبير بشكل مستمر، و50 أمبير كحد أقصى على 6 أقطاب كهربائية.
- البطارية: 6 خلايا ليثيوم بوليمر (22.2 فولت اسمي، 25.2 فولت ذروة)
- وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة (ESC): تتطلب تيارًا مستمرًا لا يقل عن 30 أمبير، وتيارًا لحظيًا لا يقل عن 60 أمبير؛ يوفر نظام التحكم الموجه بالمجال (FOC) تشغيلًا أكثر هدوءًا في المركبات المائية. اختر وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة من النوع C (4-6 ثوانٍ، 40 أمبير مستمر، 60 أمبير لحظي، FOC).
ملاحظات حول مطابقة بيانات مواصفات وحدة التحكم الإلكترونية للمحرك والمحرك
احسب التيار التقريبي للمحرك من خلال ورقة بيانات المحرك أو القياس باستخدام مقياس سرعة الدوران ومقياس الواط.
يجب أن تكون حرارة المحرك وحرارة وحدة التحكم الإلكترونية ضمن الحدود الآمنة – راقب درجات حرارة المكونات أثناء التجارب الأولية.
ضع في اعتبارك انخفاض الجهد تحت الحمل – قد تنخفض الخلايا من 4.2 فولت إلى 3.7 فولت أو أقل؛ اختر هامش وحدة التحكم الإلكترونية وفقًا لذلك.
يمكن أن يؤدي ترقية وحدة التحكم الإلكترونية (والاستفادة من تقنية FOC) إلى تحسين عمر البطارية وتقليل الحرارة وجعل دواسة الوقود أكثر استجابة.
الخلاصة والتوصيات
تعتبر وحدات التحكم الإلكترونية PWM فعالة من حيث التكلفة ومناسبة تمامًا للعديد من التطبيقات – اختر طرازًا بتصنيف جهد وتيار كافٍ.
تستحق وحدات التحكم الإلكترونية FOC التكلفة الإضافية من أجل تشغيل أكثر سلاسة وكفاءة – خاصة بالنسبة للروبوتات والدراجات الكهربائية والقوارب والتطبيقات الصاخبة أو الدقيقة.
احرص دائمًا على تحديد قيم أعلى من اللازم للجهد والتيار لضمان الموثوقية والهامش الحراري.
ينبغي أن تعكس الميزات المطلوبة (القياس عن بعد، BEC، الكبح) نظام التحكم الخاص بك واحتياجات الراحة.
استخدم جداول الاقتران النموذجية أعلاه كقوالب لاختيار وحدات التحكم الإلكترونية (ESCs) لمشاريع محركات التيار المستمر بدون فرش (BLDC) ذات الشفرات الخارجية.