전자식 스피드 컨트롤

Electronic speed control
모터 컨트롤러와 혼동하지 마십시오.
기타 용도는 ESC를 참조하십시오.

전자 속도 제어(ESC)는 전기 모터의 속도를 제어하고 조절하는 전자 회로다. 또한 모터의 후진 및 동적 제동을 제공할 수 있다. 소형 전자 속도 제어 장치는 전기로 구동되는 무선 제어 모델에 사용된다. 풀사이즈 전기차도 구동 모터의 속도를 조절하는 시스템을 갖추고 있다.

함수

전자 속도 제어는 속도 기준 신호(스로틀 레버, 조이스틱 또는 기타 수동 입력에서 파생됨)를 따르고 필드 효과 트랜지스터(FET) 네트워크의 전환 속도를 변화시킨다.[1] 트랜지스터의 듀티 사이클이나 스위칭 주파수를 조정하여 모터의 속도를 변화시킨다. 모터를 통해 흐르는 전류의 급속한 전환은 모터가 특히 저속에서 눈에 띄는 특징적인 고음의 윙윙거리는 소리를 내는 원인이 된다.

브러시된 DC 모터와 브러시리스 DC 모터에는 다양한 유형의 스피드 컨트롤이 필요하다. 브러시드 모터는 전기자의 전압을 변화시켜 속도를 조절할 수 있다. (산업적으로 영구 자석 대신 전자석 전기장 권선을 사용하는 모터도 모터장 전류의 강도를 조절하여 속도를 조절할 수 있다.) 브러시리스 모터는 다른 작동 원리를 필요로 한다. 모터의 속도는 모터의 여러 권선으로 전달되는 전류의 펄스 타이밍을 조정함으로써 변화한다.

제거기 회로가 통합된 35암페어의 일반 ESC 모듈

브러시리스 ESC 시스템은 기본적으로 가변 주파수 드라이브와 같은 3상 AC 전원을 만들어 브러시리스 모터를 구동한다. 브러시리스 모터는 전통적인 브러시 모터에 비해 효율, 힘, 수명, 가벼운 무게 때문에 무선 조종 비행기 취미 생활자들에게 인기가 있다. 브러시리스 DC 모터 제어기는 브러시드 모터 제어기보다 훨씬 복잡하다.[2]

모터에 공급되는 전류의 정확한 위상은 모터 회전에 따라 달라지는데, 이는 ESC가 고려해야 할 사항이다: 일반적으로 모터 권선의 후방 EMF는 이 회전을 검출하기 위해 사용되지만, 별도의 자기(홀 효과) 센서나 광학 검출기를 사용하는 편차가 존재한다. 컴퓨터 프로그램 가능 속도 제어에는 일반적으로 저전압 차단 한계, 타이밍, 가속, 제동 및 회전 방향을 설정할 수 있는 사용자 지정 옵션이 있다. 모터의 방향을 반대로 하는 것은 3개의 리드 중 2개를 ESC에서 모터로 전환함으로써 이루어질 수도 있다.

분류

ESC는 일반적으로 최대 전류(예: 25A)에 따라 등급이 매겨진다. 일반적으로 등급이 높을수록 ESC가 크고 무거워지는 경향이 있는데, 이는 비행기의 질량과 균형을 계산할 때 한 요인이다. 현대의 많은 ESC는 니켈 금속 하이드라이드, 리튬 이온 폴리머, 리튬 철 인산염 배터리를 다양한 입력 및 차단 전압으로 지원한다. 배터리 유형과 연결된 셀 수는 컨트롤러에 내장되어 있든 독립형 장치로 내장되어 있든 배터리 제거기 회로(BEC)를 선택할 때 중요한 고려 사항이다. 연결된 셀 수가 많으면 전력 정격이 낮아지고, 따라서 선형 전압 조절기를 사용할 경우 통합 BEC가 지원하는 서보 수가 낮아진다. 스위칭 레귤레이터를 사용하여 잘 설계된 BEC는 유사한 제한이 없어야 한다.

ESC 펌웨어

대부분의 최신 ESC에는 입력 신호를 해석하고 내장 프로그램 또는 펌웨어를 사용하여 모터를 적절히 제어하는 마이크로 컨트롤러가 포함되어 있다. 경우에 따라 공장 내장 펌웨어를 대체 가능한 공개 오픈 소스 펌웨어로 변경할 수 있다. 이는 일반적으로 ESC를 특정 애플리케이션에 적용하기 위해 수행된다. 일부 ESC는 사용자가 업그레이드할 수 있는 펌웨어 기능으로 제조된 공장이다. 다른 것들은 프로그래머를 연결하기 위해 납땜을 요구한다. ESC는 보통 전용 펌웨어가 탑재된 블랙박스로 판매된다. 2014년 현재, 벤자민 베더라는 스웨덴 엔지니어는 나중에 VESC라고 불리는 오픈 소스 ESC 프로젝트를 시작했다.[3] 이후 VESC 프로젝트는 고급 맞춤형 옵션과 다른 고급 ESC에 비해 상대적으로 합리적인 제조 가격으로 주목을 받았다.[4]

차량 적용

전기자동차

닛산리프, 테슬라 로드스터(2008) 모델S, 모델X, 모델3, 쉐보레 볼트 등 전기차에 대형 고전류 ESC가 사용된다. 에너지 드로우는 보통 킬로와트로 측정된다(예를 들어, 닛산 리프는 최대 340Nm의 토크를 생산하는 160kW 모터를 사용한다). 양산형 전기차는 대부분 자동차가 주행하거나 브레이크를 밟을 때 에너지를 포착해 모터를 발전기로 사용하고 속도를 늦추는 ESC가 특징이다. 포획된 에너지는 배터리를 충전하는 데 사용되며 따라서 자동차의 주행 범위를 확장하는 데 사용된다(이를 회생 제동이라고 한다). 테슬라가 생산한 차량 등 일부 차량에서는 이를 이용해 매우 낮은 속도에서만 자동차의 재래식 브레이크가 필요할 정도로 효과적으로 속도를 늦출 수 있다(속도 감소에 따라 모터 제동 효과가 감소한다). 닛산 리프 등 다른 곳에서는 코스트할 때 약간의 '끌어내기' 효과만 있을 뿐, ESC는 기존 브레이크와 함께 에너지 캡처를 조절해 차를 멈추게 한다.

전기자동차

양산형 전기차에 사용되는 ESC는 보통 후진 기능이 있어 모터가 양방향으로 달릴 수 있다. 자동차는 기어비가 한 개일 뿐이고, 모터가 단순히 반대 방향으로 달리기만 하여 차를 역주행하게 한다. DC 모터를 장착한 일부 전기 자동차도 이러한 기능을 가지고 있는데, 전기 스위치를 사용하여 모터의 방향을 반대로 하는 전기 스위치를 사용하기도 하지만, 다른 전기 자동차들은 항상 같은 방향으로 모터를 작동시키고 역방향으로 전통적인 수동 또는 자동 변속기를 사용한다(일반적으로 이것은 변환에 사용되는 차량이 이미 트랜스미션을 가지고 있기 때문에 더 쉽다).ission, 그리고 전기 모터는 단순히 원래의 엔진 대신에 설치된다.)

전기자전거

전자 자전거

전기 자전거 애플리케이션에서 사용되는 모터는 높은 초기 토크가 필요하므로 속도 측정을 위해 홀 효과 센서를 사용한다. 전기 자전거 제어기는 일반적으로 브레이크 응용 센서와 페달 회전 센서를 사용하며, 전위차계 조정 가능한 모터 속도, 정밀한 속도 조절을 위한 폐쇄 루프 속도 제어, 과전압, 과전류 및 열 보호 로직을 제공한다. 때로는 페달 토크 센서가 적용된 토크에 비례하는 모터 보조를 가능하게 하고 때로는 회생 제동을 지원하기도 하지만, 간헐적인 제동과 자전거의 낮은 질량은 회생 에너지를 제한한다. 구현은 200 W, 24 V 브러시리스 DC(BLDC) 모터에 대해 에 설명되어 있다.[6]

P.A.S 또는 PAS가 자전거용 전기 변환 키트의 구성 요소 목록에 나타날 수 있으며, 이는 페달 보조 센서 또는 펄스 페달 보조 센서를 의미하기도 한다. 펄스는 보통 크랭크 회전 속도를 측정하는 자석 및 센서와 관련이 있다. 발 아래의 페달 압력 센서는 가능하지만 흔하지는 않다.[7]

원격 제어 응용 프로그램

ESC는 대부분의 장난감 등급 R/C 차량에서와 같이 수신기의 스로틀 제어 채널에 연결하거나 수신기 자체에 통합되는 독립형 장치일 수 있다. 초급 차량, 선박 또는 항공기에 전용 취미용 전자장치를 설치하는 일부 R/C 제조업체는 하나의 회로 기판에 이 전자장치를 결합한 탑재형 전자장치를 사용한다.

모델 RC 차량의 전자 속도 제어 장치에는 수신기 전압을 조절하기 위한 배터리 제거기 회로가 통합되어 별도의 수신기 배터리가 필요하지 않을 수 있다. 조절기는 선형 또는 개폐 모드일 수 있다. ESC는 더 넓은 의미에서 전기 모터용 PWM 컨트롤러다. ESC는 일반적으로 펄스 폭이 1ms ~ 2ms인 공칭 50Hz PWM 서보 입력 신호를 수신한다. 50Hz에서 1ms 폭 펄스가 공급될 때 ESC는 출력에 부착된 모터를 끄면서 응답한다. 1.5ms의 펄스 폭 입력 신호는 모터를 약 반 속도로 구동한다. 2.0ms 입력 신호가 표시되면 모터가 최대 속도로 작동한다.

자동차

자동차에서 스포츠용으로 설계된 ESC는 일반적으로 후진 기능이 있다. 새로운 스포츠 제어장치는 경주에서 사용할 수 없도록 후진 기능을 오버라이드할 수 있다. 경주를 위해 특별히 설계된 조정기와 심지어 일부 스포츠 조정기는 동적 제동 능력의 추가적인 장점을 가지고 있다. ESC는 전기자에 전기 부하를 가함으로써 모터가 발전기 역할을 하도록 강제한다. 이렇게 하면 전기자가 회전하기 더 어려워지므로 모델이 느려지거나 정지된다. 일부 제어기는 회생 제동의 이점을 추가한다.

헬리콥터

드론

무선 제어 헬리콥터용으로 설계된 ESC는 제동 기능을 필요로 하지 않으며(단방향 베어링은 어떻게 해서든 그것을 무용지물로 만들 수 있기 때문에), 역방향도 요구하지 않는다(모터 와이어를 설치한 후에는 접근하고 변경하기 어려울 수 있기 때문에 도움이 될 수 있다).

많은 고급 헬리콥터 ESC는 모터 RPM을 설정 속도로 고정하는 "도지사 모드"를 제공하여 CCPM 기반 비행을 크게 돕는다. 그것은 또한 쿼드콥터에서도 사용된다.

비행기

무선 제어 비행기용으로 설계된 ESC에는 대개 몇 가지 안전 기능이 포함되어 있다. 배터리에서 나오는 전원이 전기 모터를 계속 작동하기에 충분하지 않을 경우 ESC는 모터의 전원을 줄이거나 차단하는 동시에, 전기 모터를 계속 사용할 수 있게 된다. 이를 통해 조종사는 비행기의 조종권을 유지하여 활공하거나 저전력으로 안전하게 비행할 수 있다.

보트

보트용으로 설계된 ESC는 필수적으로 방수가 된다. 방수 구조는 비마린형 ESC와는 확연히 다른 구조로, 에어 트랩 인클로저가 더 촘촘하다. 따라서 모터와 ESC를 효과적으로 냉각하여 급속한 고장을 방지해야 한다. 대부분의 해양 등급 ESC는 모터에 의해 구동되는 순환수 또는 구동축 출력 근처의 음의 프로펠러 진공에 의해 냉각된다. 자동차 ESC와 마찬가지로 보트 ESC도 제동 및 후진 기능이 있다.

쿼드콥터

전자 속도 제어기(ESC)는 현대의 쿼드콥터(및 모든 멀티로터)의 필수 구성 요소로, 초소형 소형 패키지로 모터에 고출력, 고주파, 고해상도 3상 AC 전력을 제공한다. 이러한 기술은 프로펠러를 구동하는 모터의 가변속도에 전적으로 의존한다. 모터/프로펠러 속도의 광범위한 범위에서 미세한 속도 제어는 쿼드콥터(및 모든 멀티로터)가 비행하는 데 필요한 모든 제어장치를 제공한다.

쿼드콥터 ESC는 대개 대부분의 다른 RC 애플리케이션에서 사용되는 표준 50Hz 신호에 비해 더 빠른 업데이트 속도를 사용할 수 있다. PWM을 넘어서는 다양한 ESC 프로토콜이 Oneshot42, Oneshot125, Multishot, DShot 등 현대의 멀티로터에 활용된다. DShot는 고해상도, CRC 체크섬, 오실레이터 드리프트 부족(보정 필요성 제거) 등 고전적인 아날로그 제어에 비해 일정한 장점을 제공하는 디지털 프로토콜이다. 현대의 ESCH 프로토콜은 37.5kHz 이상의 속도로 통신할 수 있으며, DSHOT2400 프레임은 6.5μs만 걸린다.[8][9]

모형 열차

대부분의 전기 모델 열차는 레일에 의해 운송되는 전기 또는 차량에 대한 오버헤드 와이어에 의해 동력을 공급받으므로 전자 속도 제어는 탑승할 필요가 없다. 그러나 디지털 조향 시스템을 갖춘 모델 열차의 경우 여러 열차가 동시에 다른 속도로 같은 선로에서 운행할 수 있는 경우는 그러하지 않다.

참고 항목

참조

  1. ^ 전자식 스피드 컨트롤 프라이머
  2. ^ RC 모델 Wiz: 전기 속도 제어 시스템에 대한 필수 가이드.
  3. ^ 사용자 정의 BLDC 모터 컨트롤러(사용자 정의 ESC)
  4. ^ https://www.vesc-project.com/ VESC 프로젝트
  5. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2011-07-18. Retrieved 2010-11-06.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀(링크) 적용 노트로서 보관된 사본
  6. ^ Zilog, Inc (2008). "Electric Bike BLDC Hub Motor Control" (PDF). Zilog, Inc. Archived from the original (PDF) on July 18, 2011. Retrieved 2012-10-16.
  7. ^ 미국 특허 5992553
  8. ^ DShot ESC 프로토콜이란?
  9. ^ KISS ESC 3-6S 32A(45A 제한) - 32비트 브러시리스 모터 Ctrl Flyduino