Лучшие контроллеры скорости ESC для FPV-дронов: Подробное руководство для покупателей

В данной статье мы рассмотрим основы электронных контроллеров скорости (ESC) и их роль в FPV-дронах. Это подробное руководство имеет целью предоставить вам ценную информацию о контроллерах скорости. Мы затронем такие аспекты, как номинальное напряжение, номинальный ток, преимущества различных типов ESC и их внутреннее устройство. Полетели!

Что такое ESC (электронный контроллер скорости)?

Электронный контроллер скорости, или регулятор скорости (ESC/Electronic Speed Controller), отвечает за управление скоростью моторов в FPV-дроне. ESC получает сигналы от полетного контроллера (FC) и разгоняет бесщеточный двигатель до желаемой скорости. Использование высококачественных контроллеров обеспечивает надежный и плавный полет, хотя многие другие факторы также играют роль в общей результативности.

Регуляторы скорости имеют важнейшее значение для производительности дрона, так как они отвечают за управление переменной скоростью двигателей. Они питаются постоянным током от вашей литий-полимерной батареи и принимают сигналы от полетного контроллера, обеспечивая трехфазный переменный ток для питания двигателя.

 

Как выбрать ESC контроллер скорости для FPV дрона

Выбор в пользу объединенной платы (стека) FC/ESC, которая совмещает полетный контроллер и контроллер скорости, может упростить процесс сборки, поскольку предусматривает автоматическое конфигурирование (Plug-and-Play). При таком подходе нет необходимости беспокоиться о совместимости подключения между компонентами различных производителей.

Те, кто предпочитает приобретать контроллер скорости отдельно, могут принять во внимание рекомендации, которые будут приведены далее.

Если вы используете ESC 4-в-1 и полетный контроллер разных брендов, обязательно проверьте перед их подключением схему расположения выводов (распиновку). Это поможет предотвратить потенциальное повреждение компонентов. Всегда как следует проверяйте и уточняйте назначение проводов в жгуте перед подключением.

Holybro Tekko32 F4 65A: лучший в своем классе

Это, возможно, самый надежный и контроллер скорости из доступных на рынке. Кроме того, он оснащен встроенной системой фильтрации помех, которая превосходно справляется со своими задачами. Вы будете поражены чистотой электропитания, которую обеспечивает эта модель.

Tekko32 базируется на одном из самых мощных процессоров F4 и рассчитан на непрерывный ток 65 А и импульсный ток 85 А. Это совершенная система для гоночных и фристайл-сборок с питанием 4S и 6S.

XRotor Micro 60A: Контроллер среднего уровня

Модели Hobbywing XRotor G2 45A и XRotor G2 65A – это наиболее заметные регуляторы скорости 4-в-1 в отрасли, высоко оцененные многими ведущими пилотами. Эти многофункциональные устройства предлагают поддержку DShot и динамической частоты ШИМ (широтно-импульсная модуляция) 120 кГц, надежные полевые транзисторы, прямые контакты для конденсатора с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Вы можете использовать разъем для настройки Plug-and-Play или прямую пайку к полетному контроллеру. Если вас не беспокоит цена, то это очень сильная кандидатура.

SpeedyBee BLHeli_S 50A: Самый доступный вариант для приобретения

При стоимости чуть более 40 долларов SpeedyBee BLHeli_S является одним из самых доступных вариантов на рынке. Он предлагает высокую надежность и достойную производительность. Практическое использование контроллера более года не вызвало никаких нареканий. Вам следует серьезно подумать о покупке этого регулятора скорости в паре с полетным контроллером SpeedyBee F4 V3 в виде стека. Вместе они стоят менее 70 долларов, поэтому это будет один из лучших по стоимости стеков ESC/FC, доступных в 2023 году.

Лучший ESC 20х20 мм

Контроллеры скорости 20х20 мм меньше по размеру и легче по весу, но не так надежны, как ESC 30х30 мм, поскольку последние оснащены более крупными полевыми МОП-транзисторами. Вдобавок, пайка на контроллерах 30х30 мм не вызывает сложностей благодаря более крупным паяльным площадкам.

По возможности выбирайте ESC 30х30 мм. Однако для легких гоночных дронов или небольших дронов чаще используется вариант 20х20 мм.

Aikon AK32PRO 50A V2

Несмотря на компактный форм-фактор (монтажные отверстия 20х20 мм), эти регуляторы скорости обеспечивают производительность, аналогичную некоторым платам 30х30 мм, с номинальным током 50 А на один двигатель и поддержкой батарей 6S. Небольшие габариты позволяют использовать ESC в 3-дюймовых сборках. Впрочем, эта модель вполне подойдет даже для легкой 5-дюймовой сборки.

Aikon AK32 35A ESC: Лучший одинарный контроллер скорости

Несмотря на то, что контроллеры 4-в-1 более популярны из-за простоты использования, у вас могут быть причины предпочитать одинарные ESC. В этом случае можно порекомендовать AK32 35A ESC от Aikon. Многолетнее использование этой модели в сборках доказало ее отличную надежность и высокую производительность. Это простой регулятор скорости на прошивке BLHeli_32 без модных RGB-светодиодов, рассчитанный на работу с батареями от 2S до 6S с номинальным импульсным током до 45 А.

Типы контроллеров скорости ESC

Существует два основных типа контроллеров скорости: одинарные контроллеры и ESC 4-в-1.

Комплект 4-в-1

ESC 4-в-1 объединяет четыре одиночных регулятора скорости на одной монтажной плате, при этом каждый контроллер управляет отдельным двигателем.

Как правило, ESC 4-в-1 имеют тот же размер, что и полетный контроллер, что обеспечивает более простое монтирование в штабель и лучшую обтекаемость. Они требуют меньше пайки и проводов. Контроллер скорости 4-в-1 обычно располагается под полетным контроллером и подключается к нему с помощью одного кабеля. Но следует принять во внимание один момент. Если один из элементов поврежден, вам придется заменить всю плату: таков компромисс между риском и удобством. Впрочем, современные ESC 4-в-1 в очень надежны, поэтому, как правило, беспокоиться не о чем.

Кроме того, ESC 4-в-1 обеспечивают лучшее распределение веса из-за их централизованной массы, которая может повысить отзывчивость дрона.

Существуют три формата ESC 4-в-1, они основаны на схемах крепления для дронов различного размера: 30х30 мм, 20х20 мм и 16х16 мм. Обычно более крупные ESC отличаются повышенной надежностью и мощностью благодаря большим полевым транзисторам. Для FPV-дронов на 5 дюймов и больше чаще используется размер 30х30 мм.

Одинарные контроллеры скорости

Одинарные ESC управляют только одним двигателем. В прошлом они были более популярны, но стали менее распространенными в последние годы.

Главное преимущество одинарных ESC является их простота использования и экономичность в случае замены. Дело в том, что их можно заменять по отдельности при выходе из строя. Поскольку они обычно устанавливаются на лучах рамы, они более открыты воздушному потоку и лучше охлаждаются.

При использовании одинарных контроллеров скорости их следует подключать к единой плате распределения питания (PDB) или полетному контроллеру AIO (тип полетного контроллера с интегрированной PDB) для подачи питания.

Тем не менее, у одинарных ESC имеются некоторые недостатки. В частности, они требуют больше пайки и проводки, что увеличивает массу дрона из-за дополнительного веса проводов и платы распределения питания.

Главные требования к контроллеру скорости

Чтобы выбрать подходящий контроллер скорости для вашего FPV-дрона, убедитесь, что он совместим с напряжением вашей батареи и поддерживает потребляемый ток выбранного вами двигателя.

Номинальное напряжение

Проверьте, поддерживают ли ваши контроллеры скорости напряжение аккумулятора вашего дрона. Использование напряжения, слишком высокого для вашего ESC может вызвать его повреждение. Некоторые контроллеры поддерживают входное напряжение до 6S, в то время как другие способны работать лишь с батареями 4S и ниже. Термины 6S и 4S относятся к числу ячеек литий-полимерного аккумулятора. Если вы еще не знакомы с этими терминами, пожалуйста, обратитесь к нашему обзору, посвященному батареям: Выбор LiPo батарей для FPV-дронов: руководство для начинающих и рекомендации лучших продуктов

Требования к номинальному току

Номинальный ток регулятора скорости измеряется в амперах. Он указывает на максимальную силу тока, которую может выдержать ESC без риска повреждения. Имейте в виду, что это не количество тока, подаваемой на двигатели. Поэтому не беспокойтесь, если оно «слишком большое». Номинальный ток никогда не может быть слишком высоким, только слишком низким.

Для пилота обычного FPV-дрона номинальный ток большинства контроллеров скорости является вполне достаточным. Если вы собираете специализированный гоночный дрон, который требует высшей производительности или высоких скоростей, вам нужно обратить самое пристальное внимание на номинальный ток контроллера наряду с другими факторами. Однако при нормальном использовании большинство пилотов не нагружают свои аккумуляторы слишком сильно, поэтому ток ESC не выходит за пределы нормы.

Для регуляторов скорости существует два номинальных тока: непрерывный и импульсный. Под номинальным непрерывным током имеется в виду ток, которым контроллер может безопасно управлять длительное время. А номинальный импульсный ток представляет собой максимальный ток, который ESC может выдерживать в течение коротких периодов, обычно менее 10 секунд.

Ограничения аккумуляторов

Если у вас есть ESC 4-в-1 на 50 А (непрерывный номинальный ток), он должен выдерживать общий ток 200 А для четырех двигателей, при условии, что каждый двигатель потребляет равное количество ампер. Если вы потребляете только 100 А в общей сложности, значит, на каждый двигатель приходится примерно 25 А, то есть ток не превышает 50 А.

100 А – это существенная нагрузка для 5-дюймового FPV-дрона, и она близка к пределу возможностей литий-полимерных аккумуляторов. Такое высокое потребление тока не может поддерживаться достаточно долго, поскольку это может привести к фактическому повреждению вашего регулятора скорости.

Кроме того, предел импульсного тока ESC обычно выше, чем его предел непрерывного тока. Это позволяет контроллеру с номинальным током 50 А выдерживать импульсы 70 А или даже 80 А в течение нескольких секунд. Поэтому выбор одного из рекомендуемых нами ESC будет достаточным для большинства 5-дюймовых FPV-дронов и не вызовет особых проблем.

Надежность и вес

Современные контроллеры скорости часто продвигаются на рынке с указанием более высокого номинального тока, что подразумевает повышенную надежность и устойчивость к скачкам напряжения. Хотя вашему дрону, возможно, не требуется 50 или 60 ампер при обычном использовании, желательно выбрать контроллер скорости с более высоким номинальным током, так как он более устойчив в работе.

Модели c пониженным номинальным током (например, на 30 ампер), более подвержены повреждениям в случае аварии, несмотря на то, что они подходят для стандартного использования. Но остерегайтесь излишнего веса. Если вы собираете легкий беспилотник, вы, вероятно, хотите избежать перегрузок.

Определение параметров контроллера скорости

При выборе параметров ESC вы должны учитывать следующие факторы:

• Ищите рекомендации от опытных пилотов, которые строили подобные дроны.
• Используйте контроллер скорости с более высоким номинальным током, если вам позволяет бюджет, поскольку такие модели, как правило, более надежны и долговечны.
• Если вы проектируете уникальную систему дрона или используете необычный двигатель, получите данные испытаний тяги или проконсультируйтесь с производителем, чтобы определить соответствующий номинал тока для ESC.

Прошивки ESC

В этом разделе мы рассмотрим наиболее значимые и популярные прошивки контроллеров скорости.

SimonK и BLHeli

Самыми старыми прошивками ESC с открытым исходным кодом для мультикоптеров являются SimonK и BLHeli. Сейчас они устарели и больше не используются в современных регуляторах скорости, но они заслужили похвального отзыва за то, что заложили фундамент для развития FPV-дронов.

BLHeli_S

Прошивка BLHeli_S – это второе поколение прошивки BLHeli, разработанное специально для контроллеров скорости с более быстрыми 8-битными процессорами Busybee.

Хотя официальная прошивка BLHeli_S больше не обновляется (поскольку разработка перешла к BLHeli_32), появилась кастомная прошивка для поддержки оборудования, поставляемого с BLHeli_S. Она предлагает новейшие функции и производительность, сравнимую с последними и более дорогими контроллерами скорости на базе BLHeli_32. Ярким примером является Bluejay.

BLHeli_32

BLHeli_32 – это третье и на данный момент последнее поколение прошивки BLHeli. Специально разработанная для 32-битного оборудования, эта версия стала прошивкой с закрытым исходным кодом в этой линейке. Более мощные процессоры обеспечивают более плавную, точную и надежную работу, чем предыдущие ESC.

AM32

AM32 – это относительно новая прошивка с открытым исходным кодом, которая может стать проверенной и зарекомендовавшей себя альтернативой прошивке BLHeli_32. Некоторые последние регуляторы скорости уже поставляются с прошивкой AM32.

Какую прошивку ESC следует выбрать?

Разница в производительности между BLHeli_S и BLHeli_32 минимальна, поэтому вы не ошибетесь ни с одним из вариантов. Обе прошивки теперь поддерживают двунаправленный протокол DShot. Это значит, что вы можете включить фильтрацию оборотов двигателя (RPM) в Betaflight с любым типом контроллера скорости.

Хотя регуляторы скорости на базе BLHeli_S дешевле, включение фильтрации RPM требует сторонней прошивки (например, Bluejay) и, соответственно, больше времени и труда на настройку. При этом версия BLHeli_32 прекрасно работает «из коробки».

BLHeli_32, являясь новым поколением прошивки, предлагает расширенные функции, которых нет в BLHeli_S, такие как телеметрия и поддержка светодиодов RGB. Однако эти функции не влияют на летные характеристики и, следовательно, не являются существенными. Выберите BLHeli_32, если вы вам нужен регулятор скорости с перспективой на будущее, или выберите BLHeli_S, если у вас ограниченный бюджет.

Протоколы ESC

Протоколы ESC определяют скорость сигнала двигателя между полетным контроллером (FC) и регулятором скорости. Вот список протоколов ESC, обычно используемых в FPV-дронах, от самых старых до самых последних:

• Standard PWM;
• Oneshot125;
• Oneshot42;
• Multishot;
• DShot (DShot150, DShot300, DShot600) ;
• Proshot.

Не вдаваясь слишком глубоко в технические подробности, просто знайте, что DShot в настоящее время является стандартным протоколом ESC для FPV-дронов. Для оптимальной производительности вы должны использовать DShot в Betaflight. DShot имеет различные скорости, обозначенные числом в конце названия. Выбранная вами скорость зависит от частоты PID-контура, установленной в Betaflight. Для 2 кГц используйте DShot150, для 4 кГц – DShot300, а для 8 кГц – DShot600.

Как подключить контроллер скорости?

Регулятор скорости питается напрямую от литий-полимерной батареи, и скорость двигателя управляется сигналом от полетного контроллера. Моторы подключаются к контроллеру скорости тремя проводами.

Не имеет значения, в каком порядке вы подключаете провода двигателя к контроллеру, поскольку, поменяв местами любые два из трех проводов, вы просто измените направление вращения двигателя. Впоследствии вы сможете настроить направление вращения двигателя через программное обеспечение.

Подключение одинарного контроллера

Подключение ESC 4-в-1

Независимо от степени фильтрации, доступной на регуляторе, всегда следует припаивать дополнительный конденсатор к контактам питания. Это уменьшит вероятность возникновения помех и улучшит летные характеристики дрона.

Из чего состоит контроллер скорости ESC

Теперь, когда мы рассмотрели типы регуляторов скорости, программное обеспечение и требования, давайте обсудим структуру и компоненты. Основными компонентами ESC являются:

• Блок микроконтроллера (MCU).
• Драйвер затвора (Gate Driver).
• Полевые МОП-транзисторы (MOSFET).
• Регулятор малого падения напряжения (LDO/Low dropout voltage regulator).
• Датчик тока (Current sensor).
• Фильтрующие конденсаторы (Filtering capacitors).

Эти компоненты работают вместе, чтобы управлять скоростью двигателя и обеспечить эффективную производительность. Ниже будет дано подробное объяснение, как устроены и как действуют эти компоненты.

Контроллер 4-в-1 в основном состоит из четырех регуляторов, встроенных в одну часть печатной платы. Эти регуляторы могут совместно использовать одни и те же компоненты (такие как процессор, фильтрующие конденсаторы, регуляторы напряжения и т. д.). Это позволяет уменьшить вес и габариты ESC 4-в-1 и в целом сделать их более рентабельными.

Регулятор малого падения напряжения

Регулятор малого падения напряжения преобразует напряжение батареи до приемлемого уровня для питания микроконтроллера и других компонентов.

Микроконтроллер

Микроконтроллер, или процессор, является по сути мозгом регулятора скорости, в нем также хранится прошивка ESC.

Драйвер затвора

Драйверы затвора используются для управления полевыми МОП-транзисторами в нашем контроллере. Они подключены к затвору МОП-транзистора, отсюда и название. Старые модели ESC используют простые транзисторы для управления полевыми МОП-транзисторами. Использование специальных драйверов затвора повышает эффективность активного торможения. Вместо того, чтобы иметь отдельные драйверы затвора для трех фаз двигателя, современные контроллеры скорости на прошивке BLHeli_32 используют микросхему FD6288 от Fortior, которая объединяет три независимых драйвера затвора МОП-транзистора в одном чипе.

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (Полевые МОП-транзисторы)

Полевые МОП-транзисторы похожи на переключатели. Они включают и выключают питание тысячи раз в секунду, именно так приводятся в движение моторы. Использование более крупных МОП-транзисторов обычно означает, что регулятор скорости может работать с более высоким напряжением и током. Такой ESC более надежен и способен выдержать чрезмерные нагрузки. Размер полевого МОП-транзистора особенно важен для высоковольтных систем, таких как 6S, из-за более высоких пиков напряжения.

Датчик тока

Датчик тока измеряет ток, проходящий через регулятор скорости, и отправляет эту информацию на полетный контроллер. Это полезно, так как вы можете выводить на экран потребление тока в режиме реального времени и видеть, какой процент заряда батареи был израсходован.

Процессор

ESC для мультикоптеров, доступные на рынке, преимущественно используют микроконтроллеры от ATMEL, Silabs и ARM Cortex. Каждый процессор имеет уникальные характеристики, функции и тип прошивки:

• 8-битный ATMEL: Совместим с прошивками SimonK и BLHeli.
• 8-битный SILABS: Поддерживает прошивки BLHeli или BLHeli_S.
• 32-битные ARM Cortex (например, STM32 F0, F3, L4): Могут работать под управлением BLHeli

8-битные ESC ATMEL под управлением SimonK были более распространены, пока контроллеры на базе Silabs не приобрели популярность из-за появления BLHeli_S. В 2016 году были представлены 32-разрядные микроконтроллеры ARM Core для ESC с прошивкой BLHeli_32.

Процессоры с прошивкой BLHeli_32

Регуляторы скорости с прошивкой BLHeli_32 используют процессоры STM32, похожие на те, что установлены в полетных контроллерах. Наиболее распространены такие микроконтроллеры, как F0, F3 и F4.

Производители начали использовать более мощные процессоры F3 и F4 на прошивке BLHeli_32 с 2021 года, преимущественно из-за глобального дефицита микросхем, а не из-за мощности этих процессоров. Контроллеры на этих чипах не предлагают значительных преимуществ по сравнению с оригинальными ESC на базе процессора F0 с прошивкой BLHeli_32 или более старыми ESC с прошивкой BLHeli_S.

Высокая частота ШИМ (например, 128 кГц), предлагаемая этими более быстрыми процессорами, в основном полезна для определенных летательных аппаратов, таких как кинематографические мультикоптеры и микродроны, где желательны более плавные двигатели и более высокая эффективность. Эта высокая частота ШИМ не обеспечивает оптимального ускорения и крутящего момента на низких оборотах для мощных и быстрых FPV-дронов.

Чтобы задействовать все преимущества функции «переменная частота ШИМ по оборотам» в BLHeli_32, небольшие летательные аппараты могут использовать более высокую частоту ШИМ, которую обеспечивает процессор F4 (до 128 кГц). У более крупных дронов, например, 5-дюймовых, частота вращения моторов ниже, и им вполне хватит 96 кГц или даже 48 кГц. Поэтому высокая частота ШИМ здесь не играет большой роли.

Процессоры SILABS F330 и F39X

Эти процессоры используются в регуляторах скорости с прошивкой BLHeli_S.

Контроллеры на базе SiLabs оснащены различными процессорами с разным уровнем производительности, например, F330 и F39X (F390/F396).

F330 имеет более низкую тактовую частоту, чем F39X, и может иметь проблемы с двигателями с высоким значением KV (число оборотов в минуту на вольт). F39X не имеет этих недостатков и без проблем поддерживает протоколы Multishot и Oneshot42. Наиболее известные модели ESC на этих чипах – это Littlebee 20A (F330) и DYS XM20A (F39X).

Процессоры на прошивке Busybee (EFM8BB)

Это процессоры для регуляторов скорости с прошивкой BLHeli_S.

Микроконтроллеры Busybee представляют собой обновление моделей F330 и F39X. Если у вас в настоящее время имеется ESC с прошивкой BLHeli_S, он, вероятно, использует чип BusyBee. Существуют две микросхемы BusyBee:

1. BusyBee1 – EFM8BB10F8 (или BB1);
2. BusyBee2 – EFM8BB21F16 (или BB2).

Вместо использования программной ШИМ (широтно-импульсной модуляции) микроконтроллеры Busybee имеют специальное оборудование для генерации ШИМ-сигнала, синхронизированного с рабочим циклом процессора, в результате мы получаем более плавную реакцию на сигналы от джойстика газа. Эти процессоры также поддерживают протокол DShot, что делает их экономичным и эффективным решением по современным стандартам.

Примеры ESC, в которых используются эти микроконтроллеры, включают: Aikon SEFM 30A и DYS XS30A.

Общий рейтинг производительности 8-битных процессоров (от лучшего к худшему): BB2 > BB1 > F39X > F330 > 8-битный Atmel.

Заключение

Вооружившись необходимой информацией о типах регуляторов скорости, параметрах тока, протоколах и анатомии, вы будете хорошо подготовлены к выбору идеального варианта для сборки вашего FPV-дрона. Имейте в виду, что большинство новейших ESC на рынке работают почти на одинаковом уровне, что сводит к минимуму ошибку при использовании любого из вариантов, упомянутых в этом руководстве. Сосредоточьтесь на понимании ваших конкретных потребностей и предпочтений, чтобы продукт максимально подходил для вашей сборки.