มอเตอร์ BLDC และ ESC

ทำไมต้องรู้

มอเตอร์ของโดรนเกือบทั้งหมดเป็น มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน (BLDC) ซึ่งหมุนเองไม่ได้ ต้องมี ESC (electronic speed controller) สลับกระแสเข้าขดลวดตามจังหวะที่ถูกต้องหลายพันครั้งต่อวินาที ถ้าเลือก ESC เล็กเกินไป มันจะร้อนจนดับกลางอากาศ ถ้าเลือกมอเตอร์ KV ไม่เข้ากับแรงดันและใบพัด มอเตอร์จะดึงกระแสเกินหรือได้แรงขับไม่พอ

มอเตอร์ BLDC และ ESC

มอเตอร์ BLDC มีแม่เหล็กถาวรบนส่วนที่หมุน และขดลวดสามเฟสบนส่วนที่อยู่กับที่ ESC สลับไฟเข้าขดลวดทีละคู่เป็นหกขั้นต่อหนึ่งรอบทางไฟฟ้า ทำให้สนามแม่เหล็กหมุนนำแม่เหล็กไปเรื่อย ๆ

ESC ต้องรู้ว่าแม่เหล็กอยู่ตำแหน่งใดจึงจะสลับถูกจังหวะ ESC ของโดรนส่วนใหญ่ ไม่มีเซนเซอร์ตำแหน่ง แต่ใช้เฟสที่ลอยอยู่ในแต่ละขั้นวัด แรงดันไฟฟ้าย้อนกลับ (back-EMF) ที่มอเตอร์สร้างขึ้นขณะหมุน ตามคู่มือ Microchip AN1175 ข้อจำกัดคือขณะเริ่มหมุนแทบไม่มี back-EMF ESC จึงต้องมีขั้นตอนออกตัวพิเศษ

KV และค่าคงที่แรงบิด

KV คือรอบหมุนขณะไม่มีโหลดต่อแรงดันหนึ่งโวลต์ (rpm/V) มอเตอร์ 400 KV ที่ 22.2 V หมุนได้ราว 8,880 rpm เมื่อไม่มีโหลด KV สัมพันธ์กับ ค่าคงที่แรงบิด $K_t$ (แรงบิดต่อกระแส) ตามเอกสารของ maxon โดย $K_t=60/(2\pi K_V)$ เมื่อ KV มีหน่วย rpm/V และ $K_t$ มีหน่วย N·m/A มอเตอร์ KV ต่ำจึงให้แรงบิดต่อแอมป์สูงกว่า เหมาะกับใบพัดใหญ่

KV อย่างเดียวไม่ได้บอกแรงขับ แรงขับขึ้นกับใบพัด รอบหมุน และกระแสที่แรงดันนั้น (โมดูล 4)

import math

kv, volts, r_winding, i_noload = 400, 22.2, 0.08, 0.8
kt = 60 / (2 * math.pi * kv)
print(f"Kt = {kt * 1000:.2f} mN·m/A; no-load speed ≈ {kv * volts:.0f} rpm")
for amps in (10, 20, 30):
    rpm = kv * (volts - amps * r_winding)
    torque = kt * (amps - i_noload)
    p_mech = torque * rpm * 2 * math.pi / 60
    p_elec = volts * amps
    print(f"{amps:>2} A: {rpm:.0f} rpm, {torque:.3f} N·m, {p_mech:.0f} W out of {p_elec:.0f} W in, "
          f"efficiency {p_mech / p_elec:.0%}")

Kt = 23.87 mN·m/A; no-load speed ≈ 8880 rpm
10 A: 8560 rpm, 0.220 N·m, 197 W out of 222 W in, efficiency 89%
20 A: 8240 rpm, 0.458 N·m, 396 W out of 444 W in, efficiency 89%
30 A: 7920 rpm, 0.697 N·m, 578 W out of 666 W in, efficiency 87%

สัญญาณสั่งและข้อมูลย้อนกลับ

• PWM แบบเดิมสั่งด้วยความกว้างพัลส์ ต้องสอบเทียบช่วงสัญญาณ
• DShot ส่งคำสั่งเป็นดิจิทัล ไม่ต้องสอบเทียบ มีความเร็ว DShot150, 300, 600 และ 1200 เอกสาร ArduPilot แนะนำ DShot600 สำหรับโดรนส่วนใหญ่ และ DShot150 สำหรับอากาศยานใหญ่ที่สายสัญญาณยาว
• Bidirectional DShot ส่งรอบหมุนกลับมาทางสายเดียวกัน ใช้กับตัวกรองสัญญาณรบกวนตามรอบหมุนได้
• ESC telemetry แบบสายแยกส่งรอบหมุน แรงดัน กระแส และอุณหภูมิ ใช้ตรวจมอเตอร์ที่ทำงานผิดปกติ (ดู UAT 321)

Firmware ของ ESC แบบเปิดที่ใช้แพร่หลายคือ AM32 (สัญญาอนุญาต GPL-3.0 ใช้กับชิป STM32 และอื่น ๆ) และ Bluejay (พัฒนาต่อจาก BLHeli_S) ทั้งสองรองรับ bidirectional DShot ส่วน BLHeli_32 มีรายงานว่าหยุดพัฒนาในปี 2024

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• BLDC ต้องมี ESC สลับขดลวดหกขั้น ESC แบบไม่มีเซนเซอร์หาตำแหน่งจาก back-EMF
• KV คือ rpm ต่อโวลต์ขณะไม่มีโหลด และ $K_t=60/(2\pi K_V)$
• รอบหมุนลดลงและความร้อนเพิ่มเมื่อกระแสสูง
• DShot600 เป็นค่าที่ ArduPilot แนะนำ และ telemetry ช่วยเฝ้าระวังมอเตอร์ firmware แบบเปิดคือ AM32 และ Bluejay

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. มอเตอร์ 920 KV ที่ 14.8 V หมุนขณะไม่มีโหลดประมาณกี่ rpm
2. มอเตอร์ 500 KV มีค่าคงที่แรงบิดเท่าใด (mN·m/A)
3. $K_t=0.02$ N·m/A กระแส 15 A กระแสขณะไม่มีโหลด 1 A แรงบิดเท่าใด
4. ESC แบบไม่มีเซนเซอร์รู้ตำแหน่งแม่เหล็กได้อย่างไร
5. ArduPilot แนะนำ DShot ความเร็วใดสำหรับโดรนส่วนใหญ่