Brushless ESC Erklärung

Ein „Electronic Speed Controller“ (ESC), ist ein Elektronikbauteil, welches für die Ansteuerung von Elektromotoren zum Einsatz kommt. Dabei gibt es sogenannte „Brushed ESC“, sowie „Brushless ESC“ für die Ansteuerung von Motoren.
Die Elektromotoren mit Bürsten (werden in der Regel nur mit 2 Kabel angesteuert), oder Motoren ohne Bürsten (werden in der Regel mit 3 Kabel angesteuert). Bei einem Quadcopter braucht man also vier ESC, um alle Motoren ansteuern zu können. Auf dem Drehzahlregler sind sogenannte „MOSFETS“ verbaut. Dabei handelt es sich um SMD Transistor Bauteile, die wie kleine Schalter funktionieren und extrem schnell reagieren können. Somit können die verschiedenen Phasen der Motoren im richtigen Augenblick, sowie in der richtigen Reihenfolge ein und ausgeschaltet werden. Hierdurch entsteht die Rotation der Brushless Motoren.

PWM und verwandte Protokolle

  •  PWM:
    Die Pulsweitenmodulation“ (PWM) ist ein Kommunikationprotokol welches entwickelt wurde um diverse Elektronikbauteile wie Servos, Motoren, etc. anzusteuern. Es handelt sich dabei um eine parallele Kommunikation. Sprich, pro Ausgangskanal kann nur ein PWM Wert ausgeben werden. Aufgrund der Länge der gesendeten Pulse (zwischen 1000-2000 µs) wird der aktuelle Wert bestimmt. Als Beispiel: Hat man einen Servo direkt an einen RC Empfänger angeschlossen, so geht dieser bei einer Pulslänge von 1500µs in Mittelstellung, bei 1000µs nach ganz links und bei 2000µs nach ganz rechts. Die Pulslänge gibt also an wo sich die Sticks meiner RC Fernsteuerung gerade befinden. Die Drehrichtung kann natürlich beliebig umgekehrt werden. Dieses Protokoll läuft asynchron zu den Daten, die vom Gyro des Flugroboters ausgelesen werden.
    Die PWM Update Rate bestimmt wie oft die derzeitige Pulslänge zum ESC, Servo, etc. gesendet wird. Gerade für Multicopter ist eine hohe Frequenz von Vorteil, da die Drehzahlen der Motoren schnell angepasst werden müssen. Die meisten gängigen ESC arbeiten mit PWM Update Raten bis zu 490Hz.
  • OneShot125
    OneShot125
    wurde speziell für Multicopter entwickelt und besitzt eine Update Rate von 500Hz bei einer Pulslänge von 125-250µs. Es handelt sich dabei um eine serielle Kommunikation. Somit können mit nur einem Ausgangskanal, per Summensingnal, mehrere Werte ausgeben werden. Man braucht deshalb nurmehr ein Kabel für Signal und eines für GND, um dem Flugcontroller die aktuellen Stickpositionen mitzuteilen. Durch die verkürzte Pulsweite, wird die Latenz der Befehle verkürzt und somit eine noch präzisere Ansteuerung der Motoren möglich. Dieses Protokoll läuft dann auch synchron mit den Daten die vom Gyro des Flugroboters ausgelesen werden.
  • DSHOT
    DSHOT ist ein neues Kommunikationsprotokoll welches Daten nicht mehr analog sondern digital zu den ESC überträgt. Der große Vorteil gegenüber der analogen Ansteuerung ist die Fehlertoleranz. Während ein analoges Signal durch hohe Ströme in der umliegenden Verkabelung verfälscht werden kann, können digitale Pakete, sprich 0 und 1 nur zerstört werden. Analoge Daten brauchen einen Mittelwert als Filter, damit hohe Ströme die Motoren nicht ungewollt hochdrehen lassen. Bei DSHOT sendet der Flugcontroller jedoch nurmehr die % des aktuell benötigten Schubes. Wenn der Motor also 50% Schub benötigt, wird statt einem PWM Wert von 1500, welcher analog dargestellt wird, einfach ein Befehl von 50% Schub an den Regler weitergeleitet. Schnellere Zyklen und dadurch mehr Stabilität sind das Resultat. Auch eine Kalibrierung der Drehzahlregler ist damit überflüssig. Viele Brushless ESC mit BLHeli Firmware können mit DSHOT verwendet werden. Aktuelle Betaflight Versionen unterstützen diverse „DSHOT Timings“.  Bei diesen „Timings“ handelt es sich im Prinzip um die Kommunktationsgeschwindigkeit zwischen ESC und Flugcontroller. DSHOT600 kann also öfter Geschwindigkeitsveränderungen an die Motoren senden als DSHOT300. Wobei die Meinungen auseinander gehen, ob es an der Flugperformance viel ändert, da die Daten auch mit DSHOT300 schneller übertragen werden als die meisten Motoren reagieren können.  Wenn es eure ESC erlauben würde ich dennoch immer die schnellere Variante empfehlen. Subjektiv habe ich den Eindruck dass die Motoren mit schnellerem DSHOT laufruhiger werden.
  • PROSHOT
    Bei PROSHOT handelt es sich um einen Nachfolger von DSHOT, welcher Daten mit mehr Redundanz und noch höheren Raten übertragen kann. Ich selbst habe leider  noch keinen PROSHOT kompatiblen ESC testen können.

    Hinweis zum CC3D Board:
    Falls man ein CC3D Board mit F1 Prozessor besitzt, ist das standart PWM Protokoll die einzige Möglichkeit um die Motoren anzusteuern, sofern man keinen Empfänger mit paralleler Summenausgabe wie PPM, S-Bus, I-Bus besitzt. Dies ist eine Hardwarelimitierung des CC3D und sollte bei aktuelleren Boards nicht mehr vorkommen.

    Mittlerweile können viele Boards kein „one wire per channel“ „PWM“ von Empfängerseite kommend mehr verarbeiten. Die Daten werden nur noch per Summensignal also PPM, Sbus, Ibus oder ähnlichen RC Protokolle augelesen.

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