CC BY
53
УДК 681.537
doi 10.24411/2221-0458-2023-39-47
ESC РЕГУЛЯТОРЫ ОБОРОТОВ: ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
Иванов М.В., Зайцев В.Е., Галиев Р.Д., Хакимьянов А.Р.
Научный руководитель Уразбахтин Р.Р.
Уфимский университет науки и технологий, г. Уфа
ESC SPEED REGULATORS: AN EFFECTIVE WAY TO CONTROL BRUSHLESS
UAV ENGINES
M.V. Ivanov, V.E. Zaitsev, R.D. Galiev, A.R. Khakimyanov Scientific supervisor Urazbakhtin R.R.
Ufa University of Science and Technology, Ufa
Статья посвящена исследованию и практическому применению ESC регуляторов в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) с бесколлекторными двигателями. ESC регуляторы обеспечивают стабильное управление скоростью вращения двигателя и повышают эффективность работы БПЛА. В статье рассмотрены основные принципы работы ESC регуляторов, а также преимущества их применения в БПЛА. Также отмечается, что применение ESC регуляторов является эффективным способом управления бесколлекторными двигателями БПЛА, что повышает их эффективность и точность управления.
Ключевые слова: ESC регуляторы оборотов; бесколлекторные двигатели; БПЛА; эффективность; управление; регулирование скорости вращения; энергопотребление; стабилизация полета; регулятор напряжения; применение; квадрокоптер; обороты; производительность; управление
The article is devoted to the research and practical application of ESC regulators in unmanned aerial vehicles (UAVs) with brushless motors. ESC regulators provide stable control of motor rotation speed and increase the efficiency of UAV operation. The article discusses the main principles of operation of ESC regulators, as well as the advantages of their use in UAVs. It is also noted that the use of ESC regulators is an effective way to control brushless motors of UAVs, which increases their efficiency and control accuracy.
Keywords: ESC regulators; brushless motors; UAVs; efficiency; control; rotation speed regulation; power consumption; flight stabilization; voltage regulator; application; quadcopter; rotation speed; performance; management
Введение
В последние годы беспилотные летательные аппараты (БПЛА) стали широко распространенным средством для выполнения различных задач. Одним из наиболее важных элементов БПЛА является двигатель, который обеспечивает подъем и передвижение в воздухе. Бесколлекторные двигатели (BLDC) представляют собой одну из наиболее эффективных технологий для БПЛА, поскольку они обеспечивают высокую мощность и скорость, а также имеют более длительный срок службы, чем коллекторные двигатели. Однако эффективное управление скоростью бесколлекторных двигателей БПЛА представляет собой сложную задачу, которую можно решить с помощью электронных регуляторов скорости (ESC).
Цель данной статьи - рассмотреть работу ESC регуляторов оборотов бесколлекторных двигателей БПЛА и их эффективность в управлении скоростью и полетом БПЛА. Статья описывает принципы работы электронных
регуляторов скорости, их типы и функции, а также преимущества использования ESC регуляторов в БПЛА. Данная статья будет полезна для специалистов в области
беспилотных летательных аппаратов, а также для тех, кто интересуется новыми технологиями в области беспилотной авиации [1].
Бесколлекторные двигатели БПЛА
Бесколлекторные двигатели (BLDC) являются одним из самых эффективных способов обеспечения мощности и скорости БПЛА. Они используются в качестве привода многих систем, включая летательные аппараты, мультироторные дроны и квадрокоптеры.
Преимущества бесколлекторных двигателей заключаются в их высокой мощности и скорости, более длительном сроке службы и уменьшении трения и износа благодаря отсутствию щеток. Более того, бесколлекторные двигатели могут работать в широком диапазоне скоростей и не нуждаются в механических устройствах для изменения скорости вращения.
Эффективное управление скоростью бесколлекторных двигателей представляет собой сложную задачу, которая может быть решена с помощью электронных регуляторов скорости. ESC регуляторы обеспечивают плавное изменение скорости вращения BLDC двигателей путем регулирования электрического тока,
поступающего в них. Это позволяет управлять мощностью и скоростью БПЛА.
Бесколлекторные двигатели являются важным компонентом БПЛА, обеспечивая мощность и скорость в полете. Использование электронных регуляторов скорости ESC позволяет эффективно управлять скоростью бесколлекторных двигателей, повышает эффективность работы и продлевает срок службы двигателей [2], [3].
Регуляторы оборотов для БПЛА
ESC (Electronic Speed Control) регуляторы оборотов являются
устройствами, которые управляют оборотами бесколлекторных двигателей БПЛА.
ESC регулятор получает сигналы от полетного контроллера (flight controller) через кабель сигнального канала. Эти сигналы передаются в виде импульсов ШИМ(PWM), которые определяют скорость вращения каждого из электродвигателей.
Сигналы, выдаваемые ESC на электродвигатели, являются импульсами переменной частоты. Частота импульсов определяет скорость вращения
электродвигателя, а ширина импульса контролирует мощность, подаваемую на электродвигатель. Благодаря этому, пилот может точно контролировать скорость и мощность двигателей, что обеспечивает плавный и стабильный полет.
ESC регуляторы могут также выдавать сигналы обратной связи, такие как данные о температуре электродвигателей или уровне заряда аккумулятора. Эти данные могут быть использованы для дополнительной настройки полетного контроллера или отображения информации на экране пульта управления БПЛА [4], [8].
Существует несколько типов ESC регуляторов, в том числе с двумяи тремя проводами, а также с возможностью программирования. Бывают случаи, когда в регуляторе оборотов ESC всего два провода, это может означать, что он не имеет функции обратной связи (feedback), что типично для более дешевых моделей. В этом случае, для управления скоростью вращения двигателя используется простой принцип изменения скорости электронного сигнала, который поступает на двигатель через два провода. Однако, важно учитывать, что отсутствие обратной связи может привести к нестабильной работе двигателя.Такие регуляторы оборотов могут быть использованы в простых моделях БПЛА, которые не имеют сложных требований по точности управления двигателем и могут обеспечивать базовую функциональность управления скоростью вращения двигателя через два провода [5],
[7].
В зависимости от задачи, можно выбрать наиболее подходящий тип ESC
регулятра. Среди наиболее
распространенных типов ESC регуляторов можно выделить следующие:
1. Простые ESC регуляторы: это наименее сложный и наиболее доступный тип регуляторов оборотов. Они имеют два провода для подключения к электродвигателю и два провода для подключения к источнику питания. Они предназначены для управления маленькими бесколлекторными электродвигателями.
2. ESC регуляторы с обратной связью: эти регуляторы используются в более сложных БПЛА и имеют возможность отслеживать скорость вращения двигателя и корректировать ее, чтобы поддерживать заданную скорость. Это позволяет управлять более точно и эффективно, что особенно важно для выполнения сложных маневров.
3. ESC регуляторы с функцией автономного полета: это самые продвинутые ESC регуляторы, которые используются в БПЛА с функцией автономного полета. Они не только управляют скоростью двигателя, но и позволяют БПЛА оставаться на курсе и высоте, используя различные датчики и алгоритмы.
ESC регуляторы для бесколлекторных двигателей БПЛА обладают множеством функциональных возможностей, которые позволяют настраивать работу двигателей и обеспечивать их более эффективное
управление. Основные функции ESC регуляторов:
1. Регулирование оборотов: ESC регуляторы позволяют настраивать скорость вращения бесколлекторных двигателей путем изменения скорости поступления электрического тока.
2. Программируемость: Некоторые ESC регуляторы имеют возможность программирования, что позволяет настраивать параметры работы двигателей, такие как максимальная скорость, ускорение и торможение.
3. Защита от перегрева: ESC регуляторы обычно оснащены термическими датчиками, которые могут детектировать перегрев двигателя и автоматически останавливать его работу, чтобы предотвратить повреждение.
4. Защита от перегрузки: ESC регуляторы также могут обнаруживать перегрузку двигателя и прерывать поставку электроэнергии для предотвращения повреждения.
5. Работа с различными типами батарей: ESC регуляторы могут работать с различными типами батарей, включая литиевые полимерные (LiPo), никель-кадмиевые (NiCad) и никель-металл-гидридные (NiMH).
6. Работа с различными типами сигналов: ESC регуляторы могут работать с различными типами сигналов, такими как аналоговые и цифровые, что позволяет
легко интегрировать их с различными устройствами управления.
7. Режимы работы: ESC регуляторы могут иметь несколько режимов работы, включая "режим полета" для управления скоростью во время полета, "режим ручного управления" для управления скоростью на земле, а также "режим плавного пуска" для более плавного ускорения и торможения.
8. Встроенные системы стабилизации: Некоторые ESC регуляторы могут иметь встроенные системы стабилизации, которые помогают поддерживать стабильность полета и улучшают управляемость БПЛА [2], [6].
Типы регуляторов напряжения используемые в ESC
BEC (Battery Eliminator Circuit) и UBEC (Universal Battery Eliminator Circuit) — это два разных типа регуляторов напряжения, которые используются в ESC (Electronic Speed Controller) регуляторах оборотов бесколлекторных двигателей в БПЛА.
BEC является частью ESC регулятора и отвечает за питание приемника и сервоприводов без использования отдельного аккумулятора. BEC преобразует напряжение аккумулятора в напряжение, необходимое для питания электроники модели.
Регулятор напряжения типа UBEC, с другой стороны, является отдельным
устройством, которое устанавливается отдельно от ESC и обеспечивает стабильное напряжение для приемника и сервоприводов.
Основное отличие между BEC и UBEC заключается в том, что UBEC предоставляет более стабильное и высокое напряжение, чем BEC. Также UBEC может обеспечивать питание для более широкого диапазона напряжений аккумуляторов, в то время как BEC может иметь ограничения в этом плане.
Другое отличие заключается в том, что UBEC может иметь более продвинутые функции, такие как защита от перегрева и короткого замыкания, что повышает безопасность и надежность системы питания.
UBEC имеет более высокую эффективность и функциональность по сравнению с BEC, но также имеет более высокую стоимость. В то же время, BEC более прост в использовании и подходит для небольших и менее требовательных моделей [5], [7].
Требования к ESC регуляторам для БПЛА
ESC отвечают за управление скоростью вращения бесколлекторных двигателей и, следовательно, за управление полетом БПЛА. В связи с этим, требования к ESC регуляторам для БПЛА высоки и многообразны.
Требования к ESC регуляторам:
1. Обеспечивать стабильность скорости вращения двигателей и минимизировать их дрейф. Это особенно важно для БПЛА, работающих в условиях переменных атмосферных условий или при выполнении сложных маневров.
2. Быть легкими и компактными, чтобы не увеличивать массу и габариты БПЛА.
3. Иметь высокую эффективность, чтобы минимизировать потребление энергии и увеличить длительность полета.
4. Иметь защиту от перегрева и коротких замыканий. Это поможет предотвратить возможные аварии, связанные с поломкой регуляторов.
5. Быть совместимы с различными типами бесколлекторных двигателей, которые могут использоваться в БПЛА разных классов.
6. Иметь возможность программирования, чтобы адаптироваться к специфическим требованиям конкретных задач. Это позволяет настраивать регуляторы для определенного полетного режима или задачи, а также выполнять диагностику и настройку на месте [6].
Практическое применение ESC регуляторов в БПЛА
Одним из наиболее распространенных типов БПЛА, использующих ESC регуляторы, являются квадрокоптеры. ESC регуляторы контролируют обороты
четырех бесколлекторных двигателей и обеспечивают стабильность и
управляемость БПЛА. Квадрокоптеры используются для множества задач: аэрофотосъемка, видеосъемка, мониторинг и разведка, а также для различных научных исследований. ESC регуляторы позволяют БПЛА максимально эффективно использовать доступную тяговую мощность двигателя, обеспечивая лучшую управляемость и стабильность полета.
ESC регуляторы также широко применяются в научных исследованиях. БПЛА с ESC регуляторами используются для мониторинга и исследования различных объектов, таких как лесные массивы, земные участки, здания и мосты. ESC регуляторы позволяют БПЛА летать на заданной высоте и контролировать скорость и направление полета, что делает их ценным инструментом для научных исследований [4], [8].
Заключение
В заключении можно отметить, что ESC регуляторы являются эффективным способом управления бесколлекторными двигателями БПЛА. Они обеспечивают точное управление оборотами двигателя и повышают производительность БПЛА. Различные типы ESC регуляторов имеют различные функциональные возможности, которые позволяют управлять двигателем в различных условиях полета. Однако, для правильного выбора ESC регулятора для
конкретного БПЛА необходимо учитывать ряд требований, таких как мощность, вес, размеры и т.д.
Практическое применение ESC регуляторов в БПЛА находит широкое применение в современных реалиях. Они обеспечивают стабильность полета, а также эффективное управление скоростью и мощностью электродвигателей.
Библиографический список
1. Трофимов В.А. Современные системы управления беспилотными летательными аппаратами / В.А. Трофимов, А.А. Гусев, В.В. Сорокин // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2017. - С. 546-551.
2. Штаев Д.В. Анализ технологии управления беспилотными летательными аппаратами / Д.В. Штаев. - Текст: электронный // Территория новых возможностей. - 2019. - №2. -URL:
https://cyberleninka.m/artide/n/analiz-tehnologii-upravleniya-bespilotnymi -letatelnymi-apparatami (дата обращения: 07.03.2023).
3. Уразбахтин Р.Р. Двигатели для беспилотных летательных аппаратов / Р.Р. Уразбахтин. - Текст: электронный // МНИЖ. - 2017. - №2-3 (56). - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dvigateli-
Использование ESC регуляторов является неотъемлемой частью
современных беспилотных систем, обеспечивая точное управление двигателем и повышение производительности БПЛА. В связи с быстрым развитием технологий беспилотных систем, ESC регуляторы продолжают улучшаться и развиваться, что делает их еще более востребованными для использования в будущих проектах.
dlya-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov (дата обращения: 07.03.2023).
4. Орехов С. Ю. Исследование применения беспилотных летательных аппаратов и их основных элементов / С.Ю. Орехов, А.В. Бородулин, М.А. Гайгеров. - Текст: электронный // StudNet. - 2022. - №6. - URL: https://cyberleninka.ru/arti cle/n/issl edovani e-primeneniya-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov-i-ih-osnovnyh-elementov (дата обращения: 07.03.2023).
5. Регулятор оборотов двигателя квадрокоптера // Avtika: [сайт]. - URL: https:// avtika.ru/regulyator-oborotov-dvigatelya-kvadrokoptera/ (дата обращения: 07.03.2023).
6. Как выбрать регулятор скорости для гоночного квадрокоптера // RCDetails Blog: [сайт]. - URL: https://rcdetails.info/kak-vybrat-regulyator-hoda-dlya-gonochnogo-kvadrokoptera/ (дата обращения: 07.03.2023).
7. Все про регуляторы оборотов // Радиокоптер.ру: [сайт]. - URL: https://usbravo.ru/vse-pro-regulyatory-oborotov/ (дата обращения: 20.03.2023).
8. ESC регуляторы оборотов // Kopter info URL: https://kopterinfo.ru/esc-regulyatory-oborotov-chto-eto-kak-oni-rabotayut-i-kak-vybrat/ (дата обращения: 20.03.2023).
References
1. Trofimov, V.A., Gusev, A.A., Sorokin, V.V. Modern control systems for unmanned aerial vehicles. Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2017, pp. 546-551. (In Russian)
2. Shtaev Denis Viktorovich Analysis of the technology of control of unmanned aerial vehicles. The territory of new opportunities [online]. 2019. No.2. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-tehnologii-upravleniya-bespilotnymi-letatelnymi-apparatami (access date: 07.03.2023). (In Russian)
3. Urazbakhtin R.R. Engines for unmanned aerial vehicles. International Scientific Research Journal, 2017, no.2-3 (56). Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/dvigateli-dlya-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov (access date: 07.03.2023). (In Russian)
4. Orekhov S.Y., Borodulin A.V., Gaigerov M. A. Research of the use of unmanned aerial vehicles and their main elements. Student [online], 2022, no. 6. Available at: https://cyberleninka.ru/arti cle/n/issl edovani e-primeneniya-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov-i-ih-osnovnyh-elementov (access date: 07.03.2023). (In Russian)
5. The engine speed controller of the quadcopter. Avtika [online]. Available at: https://avtika.ru/regulyator-oborotov-dvigatelya-kvadrokoptera (access date: 07.03.2023). (In Russian)
6. How to choose a speed controller for a racing quadcopter. RCDetails Blog [online]. Available at: https://rcdetails.info/kak-vybrat-regulyator-hoda-dlya-gonochnogo-kvadrokoptera / (access date: 07.03.2023). (In Russian)
7. All about speed regulators // Power and voltage URL: https://usbravo.ru/vse-pro-regulyatory-oborotov / (accessed: 03/20/2023). (In Russian)
8. ESC speed regulators // Radiocopter.ru [online]. Available at: https://kopterinfo.ru/esc-regulyatory-oborotov-chto-eto-kak-oni-rabotayut-i-kak-vybrat / (access date: 03/20/2023). (In Russian)
Иванов Михаил Валерьевич, студент кафедры электромеханики, ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки и технологий», г. Уфа, Россия, эл. адрес: [email protected]
Зайцев Вадим Евгеньевич, студент кафедры электромеханики, ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки и технологий», г. Уфа, Россия, эл. адрес: [email protected]
Галиев Рамиль Дамирович, студент кафедры электромеханики, ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки и технологий», г. Уфа, Россия, эл. адрес: [email protected]
Хакимьянов Артур Радилович, магистрант кафедры электромеханики, ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки и технологий», г. Уфа, Россия, эл. адрес: а[email protected]
Mikhail Valerievich Ivanov, Student, Department of Electromechanics, Ufa University of Science and Technology, Ufa, Russia, e-mail: [email protected]
Ramil Damirovich Galiev, Student, Department of Electromechanics, Ufa State University of Science and Technology, Ufa, Russia, e-mail: [email protected]
Vadim Evgenievich Zaitsev, Student, Department of Electromechanics, Ufa University of Science and Technology, Ufa, Russia, e-mail: [email protected]
Artur Radikovich Khakimyanov, Master student, Department of Electromechanics, Ufa University of Science and Technology, Ufa, Russia, e-mail: а[email protected]
Дата поступления статьи в редакцию 20.04.2023
