什么是BLDC电机 通过Arduino开发板控制无感BLDC外转子电机方案

制作一些小物件，并且让它们按照自己想要的方式，这一直是一项非常有趣的事情。在达成一致意见的同时，制作飞行器会让业余爱好者显得不是那么很自信。这里，我所说的是滑翔机、直升机、飞机和多功能运输机。今天，由于在线提供社区的支持，很容易自己制作一个类似的产品。在这些飞行器中，它们都使用BLDC电机，那么什么是BLDC电机？为什么我们需要它来飞行？有什么特别之处呢？如何购买合适的电机并与控制器连接？什么是ESC，我们为什么要使用它？如果您有这些问题，那么本篇文章可以解决您所有的疑惑。

因此，在本篇文章中，我们将使用Arduino开发板和20A电子速度控制器（ESC）控制A2212 / 1T无感BLDC外转子电机（通常用于制作无人机）的速度。

所需的材料

● A2212 / 13T BLDC电机

● ESC控制器（20A）

● 电源（12V 20A）

● Arduino开发板

● 电位器

了解BLDC电机

BLDC电机表示无刷直流电机，由于其平稳运行，常用于吊扇和电动汽车。与其他电机不同，BLDC电机引出来三根导线，每根导线形成自己的相位，因此对于我们来说，它是一个三相电机。

是的，虽然BLDC电机被认为是直流电机，它们工作在脉冲波模式下。电子速度控制器（ESC）将来自电池的直流电压转换为脉冲，并将其提供给电机的3根电线。在任何给定时间，只有两相电动机将被供电，因此电流通过一相进入并通过另一相。在此过程中，电动机内的线圈通电，因此转子上的磁铁自身与通电线圈对齐。接下来的两根导线由ESC通电，继续该过程使电机旋转。电动机的速度取决于线圈通电的速度，电动机的方向取决于线圈通电的顺序。我们将在本文后面详细了解ESC。

有许多类型的BLDC电机可供选择，让我们来看看最常见的分类。

● 内转子和外转子BLDC电机：内转子BLDC电机的工作方式与其他电机相同。也就是说，电机内部的轴旋转，而外壳保持固定。外转子BLDC电机正好相反，电机的外壳随着轴一起旋转，而线圈内部保持固定。外转子电机在电动自行车中是非常有优势的，因为外壳（旋转的外壳）本身被制成轮胎的轮辋，因此避免了联接机构。此外，外转子电机往往比内转子电机提供更大的扭矩，因此它成为EV和无人机的理想选择。我们在这里使用的电机也是外转子电机。

注意：还有另一种电机，称为无芯BLDC电机，也用于袖珍无人机，它们的工作原理不同，本篇文章不对其进行介绍。

● 有传感器和无传感器BLDC电机：对于无需任何加速度即可旋转的BLDC电机，需要一个反馈信号。也就是说，ESC必须知道转子中磁铁的位置和极点，以便据此激励定子。这些信息可以通过两种方式获得：一种是将霍尔传感器放在电机内。霍尔传感器将检测磁铁并将信息发送到ESC，这种类型的电机称为Sensord BLDC电机，用于电动车辆。第二种方法是通过使用线圈在磁铁交叉时产生的反电动势，这不需要额外的硬件或电线，相线本身用作反馈来检查反电动势。我们的电机使用的是这种方法，常用于无人机和其他飞行项目。

为什么无人机和其他多功能直升机使用BLDC电机？

从四轮直升机到直升机以及滑翔机，有很多类型的无人机，所有这些飞行器都有一个共同的硬件。那就是BLDC电机，但为什么呢？为什么他们使用比直流电机贵一些的BLDC电机？

这有很多正当理由，其中一个主要原因是这些电机提供的扭矩非常高，这对于快速获得/松动推力来起飞或降落无人机非常重要。这些电动机也可用作外圈，再次增加了电动机的推力。选择BLDC电机的另一个原因是它的平稳振动操作较少，这对我们的无人机在半空中稳定非常理想。

BLDC电机的功率重量比非常高。这一点非常重要，因为无人机上使用的电机应具有高功率（高速和高扭矩），但重量也应较小。可以提供与BLDC电机相同的转矩和速度的直流电动机将是BLDC电动机的两倍重量。

为什么我们需要一个ESC，它的作用是什么？

我们知道每个BLDC电机都需要某种控制器来将电池的直流电压转换成脉冲，为电机的相线供电。该控制器称为ESC，表示电子速度控制器。控制器的主要职责是按顺序激励BLDC电机的相线，以便电机旋转。这是通过检测每根导线的反电动势来完成的，并在磁铁穿过线圈时准确地激励线圈。所以ESC内部有很多硬件亮点，我们这里不打算详细介绍。但是要提一下它有速度控制器和电池消除器电路。

● 基于PWM的速度控制：ESC可以通过读取橙色线上提供的PWM信号来控制BLDC电机的速度。它的工作原理与伺服电机非常相似，所提供的PWM信号应具有20ms的周期，并且可以改变占空比以改变BLDC电机的速度。由于同样的逻辑也适用于伺服电机来控制位置，我们可以在Arduino程序中使用相同的伺服库。

● 电池消除电路（BEC）：几乎所有ESC都配有电池消除电路。顾名思义，这个电路不需要为微控制器提供单独的电池，在这种情况下，我们不需要单独的电源为Arduino供电; ESC本身将提供一个+ 5V的稳压电源，可以用来为我们的Arduino供电。有许多类型的电路可以调节这个电压，通常它会对廉价的ESC进行线性调节，但你也可以找到带开关电路的电路。

● 固件：每个ESC都有一个由制造商写入的固件程序。该固件极大地决定了您的ESC如何响应；一些流行的固件是Traditional、Simon-K和BL-Heli。该固件也是用户可编程的，但我们在本教程中不会涉及到大部分内容。

BLDC和ESC的一些常用术语：

如果您刚刚开始使用BLDC电机，那么您可能会遇到制动、软启动、电机方向、低电压、响应时间和超前等术语。我们来看看这些术语的含义。

● 制动：制动是指除去油门后BLDC电机停止旋转的能力。这种能力对于多直升机非常重要，因为它们必须更频繁地改变它们的转速以在空中进行机动。

● 软启动：当BLDC电机与齿轮相关时，软启动是一个重要的特性。当电机启用软启动时，它不会突然开始非常快速地旋转，无论油门给出多快，它都会逐渐增加速度。这将有助于我们减少与电机连接的齿轮（如果有的话）的磨损。

● 电机方向：BLDC电机中的电机方向通常在运行期间不会改变。但是在组装时，用户可能需要改变电机旋转的方向。改变电机方向的最简单方法是简单地改变电机的任何两根电线。

● 低电压停止：一旦校准，我们总是需要我们的BLDC电机以相同的特定速度运行以获得特定的节流值。但这很难实现，因为当电池电压降低时，电机往往会在相同的节流值下降低速度。为避免这种情况，我们通常将ESC编程为在电池电压低于阈值时停止工作。此功能称为低电压停止，在无人机中非常有用。

● 响应时间：电机根据油门变化快速改变速度的能力称为响应时间。响应时间越短，控制越好。

● 超前（Advance）：超前是一个问题，或者更像是BLDC电机的错误。所有BLDC电机都有一些超前。也就是说，当定子线圈通电时，转子被吸引向它，因为它们上存在永久磁铁。在被吸引之后，转子倾向于在线圈断电之前在相同方向上向前移动一点，然后下一个线圈通电。这种运动被称为“超前”，它会产生抖动、温升、发出噪音等问题。所以一个好的ESC应该避免该问题。

好了，我们已经有了足够的理论知识基础，现在让我们连接电机和Arduino开发板，开始认识硬件设计部分。
编辑：hfy