Motore BLDC con Arduino: guida al cablaggio, alla codifica e al controllo

Come un ESC consente ad Arduino di controllare un motore BLDC

Un Arduino non può pilotare direttamente le tre fasi di un motore BLDC: non ha la capacità di corrente o la logica di commutazione incorporata. Questo compito spetta all'ESC (Electronic Speed Controller), che si trova tra Arduino e il motore, convertendo un semplice segnale PWM nella commutazione trifase temporizzata che fa effettivamente girare il rotore.

Dal punto di vista di Arduino, un ESC assomiglia esattamente a un servo RC standard. Si prevede un impulso compreso tra circa 1000 e 2000 microsecondi, ripetuto ogni 20 millisecondi, dove l'ampiezza dell'impulso si associa alla posizione dell'acceleratore. Ecco perché lo stesso Libreria servo utilizzato per i servi hobby funziona per il controllo ESC: l'Arduino non comunica affatto con il motore, comunica con il microcontrollore integrato dell'ESC, che gestisce la commutazione effettiva.

Cablaggio di un Arduino a un motore BLDC tramite ESC

I tre fili del motore di grosso spessore si collegano dal motore BLDC direttamente alle uscite trifase dell'ESC: l'ordine dei connettori non ha importanza per la direzione in questa fase, poiché lo scambio di due fili qualsiasi inverte semplicemente la rotazione. L'alimentazione del motore (tipicamente una batteria LiPo adatta alla tensione nominale del motore) si collega ai cavi di ingresso dell'ESC, non all'Arduino.

Il lato del segnale è più semplice: un singolo filo PWM da un pin digitale di Arduino all'ingresso del segnale dell'ESC, più una terra condivisa tra Arduino ed ESC. La maggior parte degli ESC include un BEC (circuito eliminatore di batteria) su quel connettore di segnale, che fornisce 5 V regolati ad Arduino, il che significa che un'alimentazione separata per la scheda di solito non è necessaria finché l'uscita BEC dell'ESC è classificata per l'assorbimento di corrente di Arduino.

Codice Arduino per il controllo di base della velocità

Con il cablaggio in atto, il codice stesso è breve. La libreria Servo tratta l'ESC come un servomotore e la velocità viene mappata sullo stesso intervallo 0-180 utilizzato dalla libreria per l'angolo:

• Collegare il pin del segnale dell'ESC utilizzando ESC.attach(9, 1000, 2000) , impostando esplicitamente l'intervallo di larghezza dell'impulso
• Leggere un potenziometro su un pin analogico per il controllo manuale della velocità
• Mappare la lettura analogica 0-1023 fino all'intervallo 0-180 previsto dall'ESC
• Scrivi quel valore mappato con ESC.scrittura(velocità) all'interno del circuito principale

Questo modello funziona perché il formato del segnale sottostante è identico a quello di un servo per hobby, come documentato nel file Riferimento alla libreria Arduino Servo , che spiega la temporizzazione degli impulsi e le restrizioni dei pin su cui fa affidamento la libreria.

Armare e calibrare l'ESC

La maggior parte degli ESC non fa girare il motore immediatamente dopo l'accensione: si aspetta prima una sequenza di inserimento, solitamente attivata mantenendo il segnale dell'acceleratore al minimo per un secondo o due dopo l'avvio. Saltare questo passaggio è il motivo più comune per cui un motore sembra avviarsi brevemente all'accensione e poi fermarsi: l'ESC attende un segnale valido di basso regime prima di accettare i comandi.

La calibrazione imposta la comprensione dell'ESC dell'ampiezza minima e massima dell'impulso in modo che corrisponda a ciò che effettivamente invia l'Arduino. Alimenta l'ESC con il segnale dell'acceleratore già al massimo, attendi i segnali acustici di conferma, quindi scendi al minimo e attendi di nuovo: questo insegna all'ESC gli endpoint esatti prodotti dal tuo codice, anziché fare affidamento sulle impostazioni di fabbrica che potrebbero non corrispondere all'intervallo mappato del tuo potenziometro.

BLDC con sensore o senza sensore: perché cambia la configurazione di Arduino

Tutto quanto sopra presuppone un motore BLDC sensorless abbinato a un ESC standard: la configurazione più comune per gli hobbisti e il motivo per cui la maggior parte dei tutorial lo utilizza per impostazione predefinita. L'ESC rileva la posizione del rotore dal back-EMF generato nella fase non alimentata, che funziona bene una volta che il motore gira, ma significa che il motore necessita di una breve rampa di avvio ad anello aperto prima che l'ESC possa bloccarsi sulla temporizzazione BEMF.

Un motore BLDC dotato di sensori aggiunge tre sensori a effetto Hall che segnalano direttamente la posizione del rotore, anche a zero giri/min. Ciò elimina la rampa di avvio e offre un controllo più fluido a bassa velocità, ma significa anche che l'ESC o il controller devono avere ingressi per sensori Hall: un semplice ESC senza sensori non ha alcun cablaggio per loro. Se un progetto necessita di una coppia precisa a bassa velocità o di avviamenti e arresti frequenti, l'acquisto di un motore dotato di sensore e di un controller compatibile con Hall fin dall'inizio evita di rielaborare la configurazione di controllo in un secondo momento.

Dal prototipo di Arduino al controllo motore di livello produttivo

Un ESC basato su PWM è lo strumento giusto per dimostrare un concetto: è economico, ben documentato e non necessita di software di configurazione. Ma ha anche dei limiti reali: nessun feedback di corrente su Arduino, logica di protezione minima e una risoluzione di controllo legata a una finestra di impulsi di 1000-2000 microsecondi che non si adatta bene una volta che il controllo della coppia, la regolazione della velocità a circuito chiuso o la segnalazione dei guasti diventano requisiti.

Quando un progetto va oltre la prototipazione verso un prodotto sul campo, il passo successivo è solitamente un controller che comunica tramite un bus digitale anziché una singola linea PWM. un'interfaccia di debug UART-TTL utilizzata per configurare i controller dei motori di produzione gioca un ruolo qui simile al monitor seriale Arduino: ti consente di leggere i parametri e ottimizzare il comportamento direttamente invece di indovinare solo dalla larghezza degli impulsi.

Per i team che stanno diventando troppo grandi per gli ESC per hobby, un punto di ingresso nei controller motore BLDC programmabili tramite bus CAN di APT offre il tipo di limitazione di corrente e diagnostica configurabili che un ESC di base semplicemente non espone. Le applicazioni che necessitano di una risposta più tempestiva (bracci robotici, meccanismi azionati, qualsiasi cosa con un carico in rapido cambiamento) sono meglio servite da un controller BLDC a risposta rapida creato per applicazioni a circuito chiuso in tempo reale piuttosto che un ESC per hobby a circuito aperto.

Poiché le specifiche del controller e del motore devono allinearsi sulla compatibilità di tensione, corrente e sensore Hall, vale la pena esaminarle guida all'abbinamento di controller e motore per abbinare l'elettronica di azionamento alle specifiche del motore prima di impegnarsi nell'hardware per un ciclo di produzione. Vale anche la pena capirlo come i livelli software stanno rimodellando il moderno controllo motorio , poiché l'ottimizzazione a livello di firmware è sempre più ciò che distingue un buon controller di produzione da uno semplicemente adeguato.