構(gòu)建東西并讓它們按照我們想要的方式工作，一直很有趣。雖然已經(jīng)同意這一點(diǎn)，但建造可以飛行的東西肯定會(huì)在業(yè)余愛(ài)好者和硬件修補(bǔ)匠中引起更多的焦慮。是的！我說(shuō)的是滑翔機(jī)、直升機(jī)、飛機(jī)，主要是多旋翼飛機(jī)。今天，由于在線提供的社區(qū)支持，自己構(gòu)建一個(gè)變得非常容易。所有飛行事物的一個(gè)共同點(diǎn)是它們使用 BLDC 電機(jī)，那么這個(gè)BLDC 電機(jī)是什么？為什么我們需要它來(lái)飛行東西？它有什么特別之處？如何購(gòu)買(mǎi)合適的電機(jī)并將其與您的控制器連接？什么是ESC，我們?yōu)槭裁匆褂盟咳绻羞@樣的問(wèn)題，那么本教程是您的一站式解決方案。

所以基本上在本教程中，我們將使用 Arduino 控制無(wú)刷電機(jī)。這里A2212/13T 無(wú)傳感器 BLDC外轉(zhuǎn)子電機(jī)與 20A 電子速度控制器 （ESC） 一起使用。這種電機(jī)通常用于制造無(wú)人機(jī)。

所需材料

A2212/13T 無(wú)刷直流電機(jī)

電調(diào) （20A）

電源 （12V 20A）

阿杜伊諾

電位計(jì)

了解無(wú)刷直流電機(jī)

BLDC 電機(jī)代表無(wú)刷直流電機(jī)，由于其平穩(wěn)運(yùn)行，它通常用于吊扇和電動(dòng)汽車。前面詳細(xì)解釋了 BLDC 電機(jī)在電動(dòng)汽車中的使用。與其他電機(jī)不同，BLDC 電機(jī)有三根電線從中出來(lái)，每根電線形成自己的相位，因此為我們提供了一個(gè)三相電機(jī)。等。。。什么！?。?？

是的，盡管 BLDC 電機(jī)被認(rèn)為是直流電機(jī)，但它們?cè)诿}沖波的幫助下工作。電子速度控制器（ESC） 將來(lái)自電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖，并將其提供給電機(jī)的 3 根電線。在任何給定時(shí)間，只有電機(jī)的兩相通電，因此電流通過(guò)一相進(jìn)入并通過(guò)另一相離開(kāi)。在此過(guò)程中，電機(jī)內(nèi)部的線圈通電，因此轉(zhuǎn)子上的磁鐵與通電線圈對(duì)齊。然后接下來(lái)的兩根電線由電調(diào)通電，這個(gè)過(guò)程繼續(xù)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的速度取決于線圈通電的速度，電機(jī)的方向取決于線圈通電的順序。我們將在本文后面了解有關(guān) ESC 的更多信息。

有許多類型的 BLDC 電機(jī)可供選擇，讓我們來(lái)看看最常見(jiàn)的分類。

內(nèi)流道和外流道 BLDC 電機(jī)：在轉(zhuǎn)輪中，BLDC 電機(jī)的工作方式與任何其他電機(jī)一樣。也就是說(shuō)，電機(jī)內(nèi)部的軸在外殼保持固定的情況下旋轉(zhuǎn)。雖然外流道 BLDC 電機(jī)正好相反，但電機(jī)的外殼隨著軸旋轉(zhuǎn)，而內(nèi)部線圈保持固定。外轉(zhuǎn)子電機(jī)在電動(dòng)自行車中非常有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橥鈿ぃㄐD(zhuǎn)的外殼）本身被制成輪胎的輪輞，因此避免了耦合機(jī)構(gòu)。此外，外轉(zhuǎn)輪電機(jī)往往比轉(zhuǎn)輪類型產(chǎn)生更大的扭矩，因此它成為電動(dòng)汽車和無(wú)人機(jī)的理想選擇。我們?cè)谶@里使用的一個(gè)也是外流道類型。

注意：還有另一種類型的電機(jī)稱為無(wú)芯 BLDC 電機(jī)，也用于袖珍無(wú)人機(jī)，它們具有不同的工作原理，但現(xiàn)在讓我們?yōu)榱吮窘坛潭^(guò)它。

傳感器和無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)：為了使 BLDC 電機(jī)在沒(méi)有任何抖動(dòng)的情況下旋轉(zhuǎn)，需要反饋。也就是說(shuō)，電調(diào)必須知道轉(zhuǎn)子中磁鐵的位置和極點(diǎn)，以便根據(jù)定子通電。這些信息可以通過(guò)兩種方式獲取;一種是在電機(jī)內(nèi)部放置霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鲗z測(cè)磁鐵并將信息發(fā)送到電調(diào)，這種類型的電機(jī)稱為感應(yīng)式 BLDC 電機(jī)，用于電動(dòng)汽車。第二種方法是使用磁鐵穿過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，這不需要額外的硬件或電線，相線本身用作反饋來(lái)檢查反電動(dòng)勢(shì)。這種方法用于我們的電機(jī)，在無(wú)人機(jī)和其他飛行項(xiàng)目中很常見(jiàn)。

為什么無(wú)人機(jī)和其他多旋翼飛行器使用 BLDC 電機(jī)？

有許多類型的酷無(wú)人機(jī)，從四軸飛行器到直升機(jī)和滑翔機(jī)，一切都有一個(gè)共同的硬件。這就是 BLDC 電機(jī)，但為什么呢？為什么他們使用與直流電機(jī)相比有點(diǎn)貴的 BLDC 電機(jī)？

這有很多正當(dāng)?shù)脑颍粋€(gè)主要原因是這些電機(jī)提供的扭矩非常高，這對(duì)于快速獲得/放松推力以起飛或降落無(wú)人機(jī)非常重要。此外，這些電機(jī)可用作外轉(zhuǎn)輪，這再次增加了電機(jī)的推力。選擇 BLDC 電機(jī)的另一個(gè)原因是其平穩(wěn)的無(wú)振動(dòng)運(yùn)行，這對(duì)于我們的無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)非常理想，穩(wěn)定在半空中。

BLDC 電機(jī)的功率重量比非常高。這非常重要，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)上使用的電機(jī)應(yīng)該具有高功率（高速和高扭矩），但也應(yīng)該重量更輕?？梢蕴峁┡c BLDC 電機(jī)相同的扭矩和速度的直流電機(jī)的重量將是 BLDC 電機(jī)的兩倍。

為什么我們需要ESC，它的功能是什么？

眾所周知，每個(gè) BLDC 電機(jī)都需要某種控制器將來(lái)自電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖，為電機(jī)的相線供電。該控制器稱為ESC，代表電子速度控制器?？刂破鞯闹饕氊?zé)是按順序激勵(lì) BLDC 電機(jī)的相線，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。這是通過(guò)感測(cè)每根導(dǎo)線的反電動(dòng)勢(shì)并在磁體穿過(guò)線圈時(shí)精確地為線圈供電來(lái)完成的。因此，ESC 內(nèi)部有很多硬件的出色之處，這超出了本教程的范圍。但僅舉幾例，它具有速度控制器和電池消除器電路。

基于 PWM 的速度控制：電調(diào)可以通過(guò)讀取橙色線上提供的 PWM 信號(hào)來(lái)控制 BLDC 電機(jī)的速度。它的工作原理與伺服電機(jī)非常相似，提供的 PWM 信號(hào)應(yīng)具有 20ms 的周期，并且可以改變占空比以改變 BLDC 電機(jī)的速度。由于相同的邏輯也適用于伺服電機(jī)來(lái)控制位置，因此我們可以在Arduino程序中使用相同的伺服庫(kù)。

電池消除器電路 （BEC）：幾乎所有的電調(diào)都帶有電池消除器電路。顧名思義，該電路消除了微控制器對(duì)單獨(dú)電池的需求，在這種情況下，我們不需要單獨(dú)的電源為Arduino供電;ESC本身將提供穩(wěn)定的+5V，可用于為我們的Arduino供電。有許多類型的電路可以調(diào)節(jié)此電壓，通常它將是廉價(jià)電調(diào)的線性調(diào)節(jié)，但您也可以找到帶有開(kāi)關(guān)電路的電路。

固件：每個(gè)ESC都有一個(gè)由制造商寫(xiě)入的固件程序。此固件極大地決定了您的 ESC 如何響應(yīng);一些流行的固件是傳統(tǒng)，Simon-K和BL-Heli。該固件也是用戶可編程的，但我們不會(huì)在本教程中詳細(xì)介紹。

BLDC和ESC的一些常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)：

如果您剛剛開(kāi)始使用 BLDC 電機(jī)，那么您可能會(huì)遇到制動(dòng)、軟啟動(dòng)、電機(jī)方向、低電壓、響應(yīng)時(shí)間和提前等術(shù)語(yǔ)。讓我們來(lái)看看這些術(shù)語(yǔ)的含義。

制動(dòng)：制動(dòng)是 BLDC 電機(jī)在油門(mén)移除后立即停止旋轉(zhuǎn)的能力。這種能力對(duì)于多旋翼飛行器非常重要，因?yàn)樗麄儽仨毟l繁地改變轉(zhuǎn)速才能在空中機(jī)動(dòng)。

軟啟動(dòng)：軟啟動(dòng)是 BLDC 電機(jī)與齒輪相關(guān)聯(lián)時(shí)要考慮的重要功能。當(dāng)電機(jī)啟用軟啟動(dòng)時(shí)，它不會(huì)突然開(kāi)始旋轉(zhuǎn)得很快，無(wú)論油門(mén)有多快，它總是會(huì)逐漸增加速度。這將有助于我們減少與電機(jī)相連的齒輪（如果有）的磨損。

電機(jī)方向：BLDC 電機(jī)中的電機(jī)方向在運(yùn)行過(guò)程中通常不會(huì)改變。但在組裝時(shí)，用戶可能需要改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。改變電機(jī)方向的最簡(jiǎn)單方法是簡(jiǎn)單地相互更換電機(jī)的任何兩根電線。

低壓停止：校準(zhǔn)后，我們始終需要我們的 BLDC 電機(jī)以相同的特定速度運(yùn)行，以獲得特定的節(jié)氣門(mén)值。但這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡S著電池電壓的降低，電機(jī)傾向于降低其速度，以達(dá)到相同的油門(mén)值。為了避免這種情況，我們通常對(duì)ESC進(jìn)行編程，使其在電池電壓達(dá)到閾值以下時(shí)停止工作，此功能稱為低電壓停止，在無(wú)人機(jī)中很有用。

響應(yīng)時(shí)間：電機(jī)根據(jù)油門(mén)的變化快速改變其速度的能力稱為響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，控制效果就越好。

進(jìn)展：前進(jìn)是一個(gè)問(wèn)題，或者更像是 BLDC 電機(jī)的錯(cuò)誤。所有 BLDC 電機(jī)都有一點(diǎn)進(jìn)步。也就是說(shuō)，當(dāng)定子線圈通電時(shí)，由于它們上存在永磁體，轉(zhuǎn)子被吸引到它身邊。被吸引后，轉(zhuǎn)子傾向于在線圈斷電之前沿同一方向向前移動(dòng)一點(diǎn)，然后下一個(gè)線圈通電。這種運(yùn)動(dòng)稱為“前進(jìn)”，它會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)、升溫、發(fā)出噪音等問(wèn)題。因此，這是一個(gè)好的ESC應(yīng)該避免的事情。

好的，現(xiàn)在有足夠的理論讓我們通過(guò)將電機(jī)與Arduino連接來(lái)開(kāi)始使用硬件。

Arduino BLDC 電機(jī)控制電路圖

以下是使用Arduino控制無(wú)刷電機(jī)的電路圖：

將 BLDC 電機(jī)與 Arduino 接口的連接非常簡(jiǎn)單。ESC 需要大約 12V 和 5A 的電源（最小值）。在本教程中，我使用RPS作為電源，但您也可以使用鋰聚合物電池為ESC供電。電調(diào)的三相線應(yīng)連接到電機(jī)的三相線，沒(méi)有順序連接這些電線，您可以按任何順序連接它們。

警告：有些電調(diào)上沒(méi)有連接器，在這種情況下，請(qǐng)確保您的連接牢固，并使用絕緣膠帶保護(hù)裸露的電線。由于會(huì)有高電流通過(guò)相位，任何短路都會(huì)導(dǎo)致電調(diào)和電機(jī)的永久性損壞。

ESC本身的BEC（電池消除器電路）將調(diào)節(jié)+5V，可用于為Arduino板供電。最后，為了設(shè)置 BLDC 電機(jī)的速度，我們還使用連接到 Arduino 的 A0 引腳的電位計(jì)

使用 Arduino 進(jìn)行 BLDC 速度控制的程序

我們必須創(chuàng)建一個(gè)占空比從0%到100%的PWM信號(hào)，頻率為50Hz。應(yīng)使用電位計(jì)控制占空比，以便我們可以控制電機(jī)的速度。執(zhí)行此操作的代碼類似于控制伺服電機(jī)，因?yàn)樗鼈冞€需要頻率為 50Hz 的 PWM 信號(hào);因此，我們使用與Arduino相同的伺服庫(kù)。完整的代碼可以在本頁(yè)底部找到，下面我用小片段解釋代碼。如果您不熟悉Arduino或PWM，請(qǐng)首先將PWM與Arduino一起使用，并使用Arduino控制伺服。

PWM信號(hào)只能在硬件支持PWM的引腳上產(chǎn)生，這些引腳通常用~符號(hào)提及。在Arduino UNO上，引腳9可以生成PWM信號(hào)，因此我們將ESC信號(hào)引腳（橙色線）連接到引腳9，我們還使用以下行提到了相同的inn代碼

ESC.attach(9);

我們必須生成占空比從0%到100%變化的PWM信號(hào)。對(duì)于 0% 占空比，POT 將輸出 0V （0），對(duì)于 100% 占空比，POT 將輸出 5V （1023）。這里的電位器連接到引腳A0，因此我們必須使用模擬讀取功能從POT讀取模擬電壓，如下所示

int throttle = analogRead(A0);

然后我們必須將值從 0 到 1023 轉(zhuǎn)換為 0 到180，因?yàn)橹?0 將產(chǎn)生 0% PWM，值 180 將產(chǎn)生 100% 占空比。任何高于 180 的值都沒(méi)有意義。因此，我們使用map函數(shù)將值映射到0-180，如下所示。

throttle = map(throttle, 0, 1023, 0, 180);

最后，我們必須將此值發(fā)送到伺服功能，以便它可以在該引腳上生成PWM信號(hào)。由于我們已將伺服對(duì)象命名為 ESC，因此代碼如下所示，其中可變油門(mén)包含 0-180 之間的值，以控制 PWM 信號(hào)的占空比

ESC.write(throttle);

Arduino BLDC 電機(jī)控制

根據(jù)電路圖進(jìn)行連接，并將代碼上傳到Arduino并啟動(dòng)ESC。確保已將 BLDC 電機(jī)安裝在某物上，因?yàn)殡姍C(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)跳來(lái)跳去。一旦設(shè)置通電，您的 ESC 將發(fā)出歡迎音并繼續(xù)發(fā)出嗶嗶聲，直到油門(mén)信號(hào)在閾值限制內(nèi)，只需從 0V 逐漸增加 POT，蜂鳴音就會(huì)停止，這意味著我們現(xiàn)在提供高于下限閾值的 PWM 信號(hào)，隨著您進(jìn)一步增加，電機(jī)將開(kāi)始緩慢旋轉(zhuǎn)。您提供的電壓越多，電機(jī)的速度就越快，最后當(dāng)電壓達(dá)到閾值上限以上時(shí)，電機(jī)將停止。然后，您可以重復(fù)該過(guò)程。