معرفی اسپید کنترل ( ESC ) و راهنمای انتخاب بهترین اسپید کنترل برای کوادکوپتر

در این بخش قصد داریم تا شما را با تعریف اولیه اسپید کنترل های موتور براشلس آشنا کرده و فاکتورهای اصلی برای راهنمای انتخاب بهترین اسپید نظیر انواع فریمور و پروتکل های ارتباطی اسپید کنترل را به شما معرفی کنیم.

اسپید کنترل یا ESC مخفف Electronic Speed Controller است. این قطعه برای تنظیم سرعت موتور براشلس ها بر روی مولتی روتور و کواد کوپتر استفاده می شود. به این دلیل که موتور ها هرچند که در یک سایز و از یک برند باشند باز هم مقداری تفاوت سرعت را در هنگام پرواز دارند و اگر با این اختلاف سرعت روشن شوند باعث سقوط کوادکوپتر می شوند.

علاوه بر کنترل سرعت تمام موتور ها یکی دیگر از وظایف اسپید دریافت سیگنال throttle از فلایت کنترل و انتقال آن به موتور ها است تا سرعت چرخش موتور براشلس ها را طبق درخواست فلایت کنترل تنظیم نماید.

شما برای انتخاب اسپیدکنترل مورد نظر خود نیاز دارید تا پارامتر ها و فاکتور های اولیه را برای esc بدانید. در ادامه این پارامتر ها را به صورت جداگانه به شما معرفی کرده و در مورد آن ها توضیح خواهیم داد.

نرخ مصرفی جریان ( Amperage )

مهم ترین پارامتر در انتخاب اسپید کنترل توجه به میزان مجاز جریان مصرفی ESC است. چرا که در زمان حرکت موتور ها جریان بسیار زیادی از اسپید برای تغذیه موتور براشلس ها عبور می کند و در صورتی که جریان مصرفی بیشتر از حد مجاز و توان اسپید کنترل باشد باعث سوختن اسپید می شود و اگر این جریان مصرفی در هنگام پرواز و Trottle دادن به کوادکوپتر باشد باعث سقوط و کرش مولتی روتور و کواد کوپتر شما می شود. عوامل اصلی که باعث بالا رفتن جریان مصرفی در موتور براشلس ها می شوند به صورت زیر هستند:

استفاده از موتور براشلس هایی با دور ( KV ) بالا .
استفاده از موتور های بزرگ تر.
استفاده از ملخ های بلند تر یا با تعداد پره های بیشتر و یا گام ملخ بیشتر.

جریان مصرفی در موتور ها را می توان به دو قسمت جریان های مداوم و جریان های لحظه ای ( انفجاری ) تقسیم بندی کرد.

جریان های مداوم ( Continuous Current ) در اسپید کنترل

جریان های مداوم یا به اصطلاح Continuous Current ، به حداکثر جریان مصرفی اسپید کنترل گویند که اسپید می تواند آن را به صورت ایمن و مداوم عبور دهد. این جریان حداکثری بر اساس بیشترین Trottle که در طولانی مدت به کوادکوپتر خود می دهید محاسبه می شود.

جریان های لحظه ( Burst Current ) در اسپید کنترل

کواد کوپترهای مسابقات سرعت ( RACE ) برای حرکت در سرعت ها و شتاب های بالا طراحی و ساخته شده اند. گاهی ممکن است این کوادکوپتر ها شتاب زیادی را در بازه زمانی کم بگیرند که باعث بالا رفتن مقطعی جریان مصرفی در اسپید کنترل می شود ( بازه زمانی بین 1 تا 10 ثانیه ) . این جریان مصرفی مقطعی را جریان لحظه ای یا burst current می نامند.

نکته :

یک باور عمومی بین پایلوت های آماتور وجود دارد. آن ها باور دارند با افزایش میزان جریان مصرفی مجاز از اسپید کنترل و خریدن اسپید بزرگ تر باعث افزایش قدرت موتور ها و در نتیجه قدرت و سرعت بیشتر در کوادکوپتر می شوند. اما واقعیت اصلا اینطور نیست. چرا که این ESC نیست که جریان ورودی به موتور براشلس را تعیین می کند. بلکه موتور ها هستند که جریان مورد نیاز خود را از اسپید کنترل می کشند. پس با استفاده از اسپید کنترل بزرگ تر صرفا باعث کاهش عملکرد کواد کوپتر خود به دلیل سنگینی ESC خواهید شد.

پیدا کردن جریان مصرفی مورد نیاز برای هر نوع موتور براشلس

برای پیدا کردن جریان مصرفی مورد نیاز برای هر نوع موتور براشلس دو راه پیش رو دارید. یا استفاده از داده ها و جداولی که شرکت های سازنده موتور و یا سایت های بررسی و تست موتور در اختیار شما قرار می دهند و یا تخمین جریان مصرفی موتور بر اساس نوع ملخ مورد استفاده به صورت عملی و تجربی و توسط ابزار هایی نظیر Power Metre و Thrust stand.

برای مثال موتور FPVModel 2206 اگر با ملخ 635 و باتری لیتیوم پلیمر 4 سل تست شود، جریان مصرفی آن برابر 14.6 آمپر خواهد بود که برای ایمنی بیشتر ESC خود را با جریان مجاز عبوری 16 ولت انتخاب می کنیم تا ریسک خرابی و یا آتش سوزی اسپید در فشار های بالا را به حداقل برسانیم.

خطای اندازه گیری در تست های تخمین جریان مصرفی

در آزمایش هایی که جهت تخمین جریان مصرفی از موتورها با شرایط خاص صورت می پذیرد مقادیر بدست آمده بسیار بیشتر از مقادیر اعمال شده در شرایط واقعی پرواز هستند. چرا که در آزمایشگاه موتور ها در شرایط کاملا ایده آل تست می شوند اما در فضای پرواز واقعی عوامل زیادی از رسیدن موتور به حداکثر سرعت جلوگیری می کنند.

برای مثال همواره مقداری از قدرت صد در صدی موتور ها برای پایدار نگه داشتن کوادکوپتر ذخیره می شود و شما هیچ گاه در طول پرواز توانایی استفاده صد درصدی از موتور خود را نخواهید داشت.

برای اثبات این واقعیت میزان جریان مصرفی بیان شده توسط کارخانه تولیدی و جریان مصرفی در پرواز واقعی را در یک نوع موتور مقایسه کردیم. بعد از انجام پرواز نسبتا طولانی و با سرعت زیاد حداکثر جریان مصرفی بین 24 تا 26 آمپر بود در صورتی که کارخانه تولیدی جریان مصرفی را برای این نوع موتور براشلس 30 آمپر تخمین زده بود.

توانایی تامین انرژی باتری

شاید برای شما جالب باشد که بدانید علاوه بر موانع فیزیکی در طول پرواز که اجازه دریافت بیش از حد جریان را به موتور نمی دهد باتری های مورد استفاده در کواد کوپتر شما هم تاثیر زیادی در میزان جریان مصرفی موتور ها دارند. باتری ها در هر شکل و اندازه ای توانایی در اختیار گذاشتن مقدار خاصی از جریان را دارند. برای مثال باتری های 4 سل 1500 میلی آمپر حداکثر توانایی در اختیار قرار دادن 80 آمپر را دارند. اما این میزان جریان را بیش از چند ثانیه نمی تواند در اختیار موتور قرار دهد در غیر این صورت باعث فشار اضافی به باتری می شود.

استفاده از اسپید کنترل هایی بیشتر از ظرفیت مورد نیاز

همانطور که گفته شد ما همیشه ظرفیت اسپید انتخابی خود را بیشتر از جریان مصرفی گفته شده توسط کارخانه در نظر می گیریم تا ریسک خطرات احتمالی نظیر گرم شدن بیش از حد و یا سوختن اسپید کنترل را کم کنیم.

فریمور اسپید کنترل

SIMONK و BLHELI دو فریمور اصلی اسپید کنترل ها به شمار می روند. این دو فریمور که به صورت متن باز ( Open Source ) عرضه می شوند در سال های اخیر توسط افراد عادی و علاقه مند به این رشته توسعه داده شده اند. به دلیل همین توسعه های فراوان امروزه ESC ها با این دو فریمور از پیش نصب شده وارد بازار می شوند و توانسته اند جایگاه خود را بین سایر رقبا و فریمور های موجود به خوبی تثبیت کنند.

فریمور BLHELI_S

فریمور BLHELI_S نسل دوم از سری فریمور های BLHELI است که صرفا مختص اسپید کنترل هایی با پردازنده های Busybee و PWM سخت افزاری ساخته شده است. همچنین سیستم نرم افزاری و رابط کاربری ساده تری نسبت به سری BLHELI است.

فریمور BLHELI_32

سومین و آخرین نسل از سری فریمور BLHELI_32 ، BLHELI است. این فریمور اسپید کنترل که صرفا برای پردازنده های 32 بیتی طراحی شده و به صورت متن بسته ( Closed source ) ارائه شده است. پردازنده قدرتمند تر در این فریمور ESC باعث پرواز نرم تر و عملکرد بهتر کواد کوپتر شما می شود.

برای آشنایی بیشتر با فریمور BLHELI_32 این مقاله را مطالعه کنید.

فریمور KISS

KISS فریمور ESC متن بسته ( Closed Source ) است که صرفا برای استفاده در اسپید کنترل های KISS ساخته شده است.

پردازنده اسپید کنترل

در دنیای مولتی روتور ها و کواد کوپتر 3 پردازنده اصلی که بسیار بیشتر از سایر پردازنده ها محبوب بوده و مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از پردازنده های ATMEL ، Silabs و ARM Cortex . هرکدام از این پردازنده ها دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که برای استفاده از آن ها نیاز دارید تا تنها فریمور اسپید کنترل که با ویژگی آن ها مطابقت دارند را نصب کنید.

پردازنده ATMEL 8-bit هر دو فریمور SIMONK و BLHELI را پشتیبانی می کند.
SILABS 8-bit صرفا فریمور های BLHELI و BLHELI_S را پشتیبانی می کند.
پردازنده ATMEL ARM Cortex 32-bit نیز صرفا از پردازنده BLHELI_32 پشتیبانی می کند.

در ابتدا استفاده از پردازنده های ATMEL 8-bit در اسپید کنترل ها بسیار رایج بود که با ورود SILABS این جایگاه به این پردازنده جدید رسید. امروزه نیز پردازنده های ATMEL Arm Core در ESC های 32 بیتی استفاده زیادی دارند.

پردازنده SILABS F330/F39x

پردازنده های SILABS در دو مدل F330 و F39x ارائه شده است که دارای تفاوت های اندکی هستند. پردازنده F330 سرعت پردازش پایین تری نسبت به F39x دارد که باعث ایجاد مشکل در استفاده از موتور براشلس هایی با دور( KV ) های بالا در اسپید کنترل می شود. اما در پردازنده های مدل F39x این مشکل وجود ندارد و همچنین این پردازنده از پروتکل های ارتباطی Multishot و oneshot42 به خوبی پشتیبانی می کند.

پردازنده ( Busybee ( EFM8BB

پردازنده Busybee ارتقاء یافته و بهبود یافته ی پردازنده های F330 و F39x است. این پردازنده ها برتری هایی نسبت به مدل های قبلی دارند. از این مزیت ها می توان به PWM سخت افزاری موجود در این پردازنده و همچنین سخت افزار اضافه شده به این پردازنده که توانایی تولید سیگنال های PWM در اسپید کنترل را دارد اشاره کرد که با دوره پردازش پردازنده همسان بوده و باعث عملکرد بهترو پرواز نرم تر کوادکوپتر می شود. همچنین این پردازنده از پروتکل ارتباطی DSHOT نیز پیتیبانی کاملی می کند.

نتیجه گیری:

به طور کلی اگر بخواهیم پردازنده های نام برده شده در این قسمت را از بهترین تا بدترین بر طبق ویژگی های آن ها دسته بندی کنیم می توانیم لیست زیر را ارائه دهیم :

BB2
BB1
F39X
F330
Atmel-8-bit

پردازنده های 32 بیتی و 8 بیتی

در گذشته تمامی پردازنده ها از نوع 32 بیتی بودند. مانند پردازنه های F330 ، F39x ، Busybee که دارای مشکلات و محدودیت هایی بودند. اما بعد از سال 2016 با ورود پردازنده های 32 بیتی که بر پایه STM32 بودند مانند اسپید کنترل های KISS 24A Race Editition و V-Good Firefly نه تنها تمامی مشکلات و محدودیت های قبلی رفع شد بلکه جای آن ها را ویژگی های جدیدی مانند تلمتری اسپید گرفت.

پروتکل های ارتباطی مورد استفاده در اسپید کنترل

اسپید کنترل برای ارتباط با فلایت کنترلر ، دریافت و در بعضی مواقع ارسال اطلاعات نیازمند پروتکل ارتباطی است. پروتکل های ارتباطی میزان سرعت و تاخیر دریافت و یا ارسال اطلاعات به فلایت کنترلر را تایین می کنند که امری موثر در عملکرد پروازی کوادکوپتر دارد. اولین پروتکل ارتباطی مورد استفاده PWM نام داشت که تاخیردریافت اطلاعات در آن چیزی در حدود 2 میلی ثانیه بود. امروزه این پروتکل ارتباطی جای خود را به پروتکل های سریع تر و بهتری داده است. در زیر لیست پروتکل هایی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند را می توانید مشاهده کنید :

Standard PWM
oneshot125
oneshot42
Multishot
(Dshot (Dshot150, Dshot300, Dshot600, Dshot1200
Proshot

برای دریافت اطلاعات بیشتر درمورد پروتکل ارتباطی اسپید کنترل ها و فریمور های اسپید کنترل می توانید مقاله مربوط به آن را در این قسمت مطالعه کنید.

دو ویژگی ترمز فعال ( Active Braking ) و PWM سخت افزاری ( Hardware PWM ) در اسپید کنترل

ویژگی های جالبی که در صورت وجود در اسپید کنترل ها باعث بهبود عملکرد ، بالا رفتن بازدهی پروتکل های ارتباطی و برتری انتخاب آن ها می شوند عبارتند از:

ویژگی Active Braking یا ترمز فعال که قدرت عکس العمل را در اسپید کنترل به شدت بالا می برد.
PWM سخت افزاری که باعث نرم تر شدن پرواز کواد کوپتر و راحت تر شدن کنترل و پایداری آن می شود.
Dedicated gate driver : بر خلاف اسپید کنترل های ارزان که برای راه انداختن ماسفت ها از ترانزیستور های معمولی استفاده می کنند. سایر ترانزیستور های مرغوب از این ویژگی که قدرت و عملکرد ترمز فعال را نیز بهبود می بخشد استفاده می کنند.

اندازه و وزن اسپید کنترل

وزن و ابعاد نیز امری ضروری در انتخاب آن ها به ما می روند. چرا که رابطه مستقیمی با عملکرد و جریان مصرفی آن ها دارد. هرچه اسپید کنترل بزرگ باشد طبیعتا وزن بیشتری را نیز به همراه خواهد داشت. همینطور توانایی عبور جریان بیشتری را نیز از خود داشته و در پرواز ها نیز کمتر داغ می کند. از طرف دیگر کوچکتر شدن ابعاد کنترل ها بدون تغییر و کاهش ویژگی های آن تا حد کمی امکان پذیر است و کاهش وزن و ابعداد از قسمتی با کاهش توانایی ها ، ویژگی ها و عملکرد اسپید همراه خواهد بود و همچنین با کوچکتر شدن سایز اسپید ، ریسک داغ کردن بیش از حد آن نیز در طول استفاده و پرواز افزایش پیدا خواهد کرد. به طور معمول اسپید کنترل هایی که برای مینی کواد کوپتر ها و کواد کوپتر های مسابقات سرعتی استفاده می شوند وزنی معادل 4 تا 6 گرم دارند.

ولتاژ ورودی به اسپید کنترل

اسپید کنترل های مختلف توانایی دریافت ولتاژ های ورودی مختلفی را نیز خواهند داشت. برخی از آن ها توانایی اتصال به باتری های 4 و یا 6 سل را نیز دارند. بهتر است قبل از اتصال منبع تغذیه به اسپید کنترل از توانایی ورودی ولتاژ آن اطلاعات کافی داشته باشید. چرا که ورود ولتاژ بیشتر از حد استاندارد اسپید باعث صدمه رسیدن به آن و در نهایت سوختن آن خواهد شد.

اسپید کنترل هایی همراه و یا بدون مبدل برق ( BEC )

برخی از اسپید کنترل ها با مدار های مبدل برق داخلی ( BEC ) وارد بازار می شوند که می توانند خروجی 5 ولت برای تغذیه فرستنده ، فلایت کنترلر و… را تامین کنند. اسپیدکنترل هایی که بدون این مدار عرضه می شوند را به اصطلاح Opto ESCs می نامند.

اسپید کنترل هایی که دارای مبدل برق داخلی نیستند ممکن است از ویژگی Opto-isolator نیز استفاده نکنند. این ویژگی با جلوگیری از تغییر بسیار زیاد ولتاژ ورودی از قطعات الکترونیکی موجود در اسپیدکنترل محافظت می کند.

اسپید کنترل هایی که از مبدل برق داخلی استفاده نمی کنند به مراتب نسبت به اسپید کنترل هایی با مبدل داخلی کوچک تر، سبک تر و ارزان تر هستند. و همچنین در صورت استفاده از اسپیدکنترل هایی بدون مبدل داخلی نیاز دارید تا منبع تغذیه 5 ولت جداگانه ای را برای فلایت کنترلر و فرستنده و سایر قطعات کواد کوپتر خود در نظر بگیرید.