如何使用Arduino開發板控制無刷直流電機

製作一些小物件，並且讓它們按照自己想要的方式，這一直是一項非常有趣的事情。在達成一致意見的同時，製作飛行器會讓業餘愛好者顯得不是那麼很自信。這裡，我所說的是滑翔機、直升機、飛機和多功能運輸機。今天，由於在線提供社區的支持，很容易自己製作一個類似的產品。在這些飛行器中，它們都使用BLDC電機，那麼什麼是BLDC電機？為什麼我們需要它來飛行？有什麼特別之處呢？如何購買合適的電機並與控制器連接？什麼是ESC，我們為什麼要使用它？如果您有這些問題，那麼本篇文章可以解決您所有的疑惑。

因此，在本篇文章中，我們將使用Arduino開發板和20A電子速度控制器（ESC）控制A2212 / 1T無感BLDC外轉子電機（通常用於製作無人機）的速度。

所需的材料

● A2212 / 13T BLDC電機

● ESC控制器（20A）

● 電源（12V 20A）

● Arduino開發板

● 電位器

了解BLDC電機

BLDC電機表示無刷直流電機，由於其平穩運行，常用於吊扇和電動汽車。與其他電機不同，BLDC電機引出來三根導線，每根導線形成自己的相位，因此對於我們來說，它是一個三相電機。

是的，雖然BLDC電機被認為是直流電機，它們工作在脈衝波模式下。電子速度控制器（ESC）將來自電池的直流電壓轉換為脈衝，並將其提供給電機的3根電線。在任何給定時間，只有兩相電動機將被供電，因此電流通過一相進入並通過另一相。在此過程中，電動機內的線圈通電，因此轉子上的磁鐵自身與通電線圈對齊。接下來的兩根導線由ESC通電，繼續該過程使電機旋轉。電動機的速度取決於線圈通電的速度，電動機的方向取決於線圈通電的順序。我們將在本文後面詳細了解ESC。

有許多類型的BLDC電機可供選擇，讓我們來看看最常見的分類。

● 內轉子和外轉子BLDC電機：內轉子BLDC電機的工作方式與其他電機相同。也就是說，電機內部的軸旋轉，而外殼保持固定。外轉子BLDC電機正好相反，電機的外殼隨著軸一起旋轉，而線圈內部保持固定。外轉子電機在電動自行車中是非常有優勢的，因為外殼（旋轉的外殼）本身被製成輪胎的輪輞，因此避免了聯接機構。此外，外轉子電機往往比內轉子電機提供更大的扭矩，因此它成為EV和無人機的理想選擇。我們在這裡使用的電機也是外轉子電機。

注意：還有另一種電機，稱為無芯BLDC電機，也用於袖珍無人機，它們的工作原理不同，本篇文章不對其進行介紹。

● 有感測器和無感測器BLDC電機：對於無需任何加速度即可旋轉的BLDC電機，需要一個反饋信號。也就是說，ESC必須知道轉子中磁鐵的位置和極點，以便據此激勵定子。這些信息可以通過兩種方式獲得：一種是將霍爾感測器放在電機內。霍爾感測器將檢測磁鐵並將信息發送到ESC，這種類型的電機稱為Sensord BLDC電機，用於電動車輛。第二種方法是通過使用線圈在磁鐵交叉時產生的反電動勢，這不需要額外的硬體或電線，相線本身用作反饋來檢查反電動勢。我們的電機使用的是這種方法，常用於無人機和其他飛行項目。

為什麼無人機和其他多功能直升機使用BLDC電機？

從四輪直升機到直升機以及滑翔機，有很多類型的無人機，所有這些飛行器都有一個共同的硬體。那就是BLDC電機，但為什麼呢？為什麼他們使用比直流電機貴一些的BLDC電機？

這有很多正當理由，其中一個主要原因是這些電機提供的扭矩非常高，這對於快速獲得/鬆動推力來起飛或降落無人機非常重要。這些電動機也可用作外圈，再次增加了電動機的推力。選擇BLDC電機的另一個原因是它的平穩振動操作較少，這對我們的無人機在半空中穩定非常理想。

BLDC電機的功率重量比非常高。這一點非常重要，因為無人機上使用的電機應具有高功率（高速和高扭矩），但重量也應較小。可以提供與BLDC電機相同的轉矩和速度的直流電動機將是BLDC電動機的兩倍重量。

為什麼我們需要一個ESC，它的作用是什麼？

我們知道每個BLDC電機都需要某種控制器來將電池的直流電壓轉換成脈衝，為電機的相線供電。該控制器稱為ESC，表示電子速度控制器。控制器的主要職責是按順序激勵BLDC電機的相線，以便電機旋轉。這是通過檢測每根導線的反電動勢來完成的，並在磁鐵穿過線圈時準確地激勵線圈。所以ESC內部有很多硬體亮點，我們這裡不打算詳細介紹。但是要提一下它有速度控制器和電池消除器電路。

● 基於PWM的速度控制：ESC可以通過讀取橙色線上提供的PWM信號來控制BLDC電機的速度。它的工作原理與伺服電機非常相似，所提供的PWM信號應具有20ms的周期，並且可以改變占空比以改變BLDC電機的速度。由於同樣的邏輯也適用於伺服電機來控制位置，我們可以在Arduino程序中使用相同的伺服庫。

● 電池消除電路（BEC）：幾乎所有ESC都配有電池消除電路。顧名思義，這個電路不需要為微控制器提供單獨的電池，在這種情況下，我們不需要單獨的電源為Arduino供電; ESC本身將提供一個+ 5V的穩壓電源，可以用來為我們的Arduino供電。有許多類型的電路可以調節這個電壓，通常它會對廉價的ESC進行線性調節，但你也可以找到帶開關電路的電路。

● 固件：每個ESC都有一個由製造商寫入的固件程序。該固件極大地決定了您的ESC如何響應；一些流行的固件是Traditional、Simon-K和BL-Heli。該固件也是用戶可編程的，但我們在本教程中不會涉及到大部分內容。

Arduino開發板控制BLDC電機的連接原理圖

BLDC電機與Arduino開發板的連接非常簡單。 ESC需要一個最小12V/5A的電源。 在本篇文章中，我使用的是RPS作為電源，但您也可以使用Li-Po電池為ESC供電。 ESC的三相線應連接到電機的三相線，這些線的連接沒有順序，您可以按任意順序連接它們。

注意：某些ESC控制器上沒有連接介面，在這種情況下，請確保連接方式牢固，並使用絕緣膠帶保護裸露的電線。由於會有大電流通過相線，任何短路都會導致ESC和電機永久性損壞。

ESC中的BEC（電池消除器電路）將會調節輸出一個+5V，可用於向Arduino開發板供電。 最後為了設置BLDC電機的速度，我們還使用一個電位器，連接到Arduino的A0引腳。

BLDC電機的Arduino程序

我們需要創建一個PWM信號，其占空比從0％變化到100％，頻率為50Hz。使用電位器控制占空比，以便控制電機的速度。該操作的代碼類似於控制伺服電機，因為它們也需要具有50Hz頻率的PWM信號；因此我們使用來自Arduino的相同的伺服電機庫。完整的代碼可以在下面的本頁末尾處找到。

PWM信號只能在硬體支持PWM的引腳上產生，這些引腳通常用?符號表示。在Arduino UNO開發板上，引腳9可以產生PWM信號，所以我們將ESC信號引腳（橙色線）連接到引腳9；我們使用以下代碼來表示這種連接：

ESC.attach(9);

複製代碼

我們需要產生從0％到100％的不同占空比的PWM信號。對於0％占空比，POT將輸出0V（0），對於100％占空比，POT將輸出5V（1023）。這裡，電位器連接到引腳A0，因此我們必須使用模擬信號讀取函數從POT讀取模擬電壓，如下所示

int throttle = analogRead(A0);

複製代碼

然後我們必須將值從0到1023轉換為0到180，因為值0將生成0％PWM，值180將生成100％占空比。任何高於180的值都沒有意義。因此，我們使用map函數將值映射到0-180，如下所示。

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

複製代碼

最後，我們需要將此值發送到伺服函數，以便它可以在該引腳上生成PWM信號。由於我們已將伺服對象命名為ESC，因此代碼如下所示，其中變數throttle包含0-180的值以控制PWM信號的占空比

ESC.write(throttle);

複製代碼

用Arduino控制BLDC電機

根據電路圖進行連接，並將代碼上傳到Arduino開發板並啟動ESC。確保已將BLDC電機安裝在某物上，因為電機在旋轉時會四處跳轉。一旦裝置通電，ESC將發出歡迎音並持續發出嘟嘟聲，直到throttle信號在閾值限制範圍內，只需將POT從0V逐漸增加，然後蜂鳴聲將停止，這意味著我們現在提供的PWM信號高於下限閾值，當您進一步增加時，電機將開始緩慢旋轉。您提供的電壓越高，電機將獲得的速度越快，最終當電壓達到閾值上限以上時，電機將停止加速。然後，您可以重複此過程。

如果您在使用此工作時遇到任何問題，請在本帖下面進行回復，以獲取更多的技術幫助。

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