Перевод статьи How to Choose the Best ESC for FPV Drones — Beginner Buyer’s Guide — Oscar Liang.

Раздел с конкретными рекомендациями по покупке (с партнёрскими ссылками) в переводе опущен — модели быстро устаревают, актуальный список смотрите в оригинале.

В этой статье мы разберём основы ESC (Electronic Speed Controller, регулятор хода) и их роль в FPV-дронах. Это подробное руководство призвано дать полезную информацию о рейтингах по напряжению и току, разных типах ESC и анатомии регулятора.

Что такое ESC?#

ESC, сокращение от Electronic Speed Controller (электронный регулятор хода), отвечает за управление скоростью моторов в FPV-дроне. ESC получает команды газа от полётного контроллера и вращает бесколлекторные моторы с нужной скоростью.

Важно использовать качественные ESC, если вы хотите надёжный и плавный полёт, хотя на общую производительность влияет и множество других факторов, которые мы объясним в этом руководстве.

Типы ESC#

В FPV-дронах есть два основных типа ESC: одиночные (Single) и четыре-в-одном (4-in-1).

Одиночный ESC#

Подключение одиночного ESC

Одиночный ESC управляет лишь одним мотором, так что в квадрокоптере с четырьмя моторами их понадобится четыре. Раньше они были стандартом, но в последние годы во многом вышли из моды: рынок теперь занимают 4-в-1 ESC благодаря своей простоте и экономии места.

Преимущества одиночных ESC:

  • Лёгкая индивидуальная замена. Если один ESC повреждён, его можно заменить отдельно, не трогая остальные — раньше это было экономически выгодно.
  • Лучше для нестандартных мультироторов. Дают гибкость в кастомных сборках с числом моторов больше или меньше четырёх.
  • Тепловое разделение. Поскольку каждый ESC размещён отдельно, перегрев менее актуален, чем на компактной плате 4-в-1. Впрочем, со временем управление теплом стало менее значимым: современные 4-в-1 ESC очень надёжны, и отказы случаются гораздо реже.

Недостатки одиночных ESC:

  • Больше пайки и проводки. Каждому ESC нужны отдельные силовые и сигнальные подключения, что усложняет проводку.
  • Более тяжёлая сборка. Дополнительные провода и внешняя плата распределения питания (PDB) добавляют вес.
  • Больший момент инерции. Поскольку ESC размещены в стороне от центра дрона, они увеличивают момент инерции при вращении, что может слегка снизить манёвренность и отзывчивость.

Одиночные ESC обычно требуют подключения к PDB или полётному контроллеру со встроенным распределением питания. Но из-за сложности проводки, лишнего веса и тренда на компактность в современных FPV-дронах их применяют редко. В большинстве сегодняшних сборок одиночные ESC и PDB почти полностью вытеснены платами 4-в-1.

4-в-1 ESC#

Подключение 4-в-1 ESC

4-в-1 ESC объединяет четыре отдельных регулятора на одной плате, каждый из которых управляет одним мотором, — то есть 4-в-1 ESC может управлять четырьмя моторами. Такая конструкция стала стандартом в современных FPV-дронах благодаря простоте, компактности и производительности.

Обычно 4-в-1 ESC имеет тот же посадочный размер, что и полётный контроллер (FC), что позволяет аккуратно собирать их в «стек». Эти две платы обычно монтируются одна над другой и соединяются шлейфом, что значительно сокращает объём пайки и упрощает сборку.

Стек FC и 4-в-1 ESC

Преимущества 4-в-1 ESC:

  • Упрощённая проводка. Меньше паяных соединений и более чистая компоновка, чем при использовании четырёх отдельных ESC.
  • Экономия места. Аккуратно помещается в современные рамы, позволяя делать компактные и организованные сборки.
  • Централизованная масса. Размещение всех ESC в центре дрона улучшает распределение веса и отзывчивость.
  • Высокая надёжность. Современные 4-в-1 ESC очень надёжны, так что риск отказа отдельного канала мал.

Компромиссы:

  • Если один ESC выходит из строя, придётся менять всю плату, что может быть дорого. Впрочем, с современными качественными ESC это редкость, особенно у известных брендов.

Распространённые посадочные размеры 4-в-1 ESC:

  • 30×30 мм — идеально для 5-дюймовых и более крупных дронов. У таких плат обычно более крупные FET-транзисторы, что даёт лучшую живучесть и более высокий рабочий ток.
  • 20×20 мм — подходят для 3–4-дюймовых микродронов. Они легче, но могут иметь меньший токовый рейтинг.

Есть и растущий тренд на интегрированные платы «всё-в-одном» (AIO), где 4-в-1 ESC и полётный контроллер объединены на одной плате с посадочным размером 25,5×25,5 мм. Они идеальны для сборок до 250 г, синевупов и сверхлёгких «зубочисток», где экономия места и веса критична, а требования к мощности ниже.

Как выбрать ESC?#

Чтобы подобрать подходящий ESC для вашего FPV-дрона, разберитесь в требованиях: ESC должен быть совместим с напряжением вашей батареи и выдерживать ток, потребляемый выбранной связкой мотора и пропеллера на 100% газа.

Рейтинг по напряжению#

Настройки ESC

Убедитесь, что ваши ESC поддерживают напряжение вашей батареи. Слишком высокое для ESC напряжение может его повредить. Большинство современных ESC поддерживают входное напряжение от 6S LiPo-батареи, тогда как некоторые — лишь до 4S (или даже ниже). Термины 6S и 4S обозначают число ячеек в вашей LiPo-батарее.

Рейтинг по току#

Рейтинг ESC по току (или «амперный рейтинг») показывает максимальный ток, который ESC может выдержать без повреждений. Помните: это НЕ величина тока, подаваемого на моторы, а всего лишь предел, — так что не переживайте, что он «слишком большой». Амперный рейтинг не может быть слишком высоким, только слишком низким.

Для типичного пилота FPV-дрона токового рейтинга большинства ESC более чем достаточно. Если вы собираете специализированный гоночный дрон, требующий экстремальной производительности, придётся внимательно следить за амперным рейтингом ESC наряду с другими факторами. Но при обычном использовании большинство пилотов не нагружают батареи настолько, чтобы превысить токовый рейтинг своих ESC.

У ESC есть два токовых рейтинга: постоянный (continuous) и пиковый (burst). Постоянный обозначает ток, который ESC может безопасно держать непрерывно, а пиковый — максимальный ток на короткие промежутки, обычно менее 10 секунд.

Понимание ограничений батареи#

Попробую объяснить, почему я сказал, что в большинстве случаев о токовых рейтингах можно не беспокоиться.

Например, вот 4-в-1 ESC на 60A (постоянный ток).

Крупный план платы 60A 4-в-1 ESC

Рейтинг 60A относится к каждому мотору, а значит, этот 4-в-1 ESC способен выдержать суммарный ток до 240A (при условии, что каждый мотор потребляет одинаково на 100% газа). Если вы тянете всего 100A суммарно, то каждый мотор потребляет около 25A — намного ниже предела. На деле 100A — это уже серьёзная нагрузка для 5-дюймового FPV-дрона, и она близка к пределу большинства существующих LiPo-батарей, которые попросту не удержат такой высокий ток достаточно долго, чтобы реально повредить ESC. К тому же пиковый предел ESC обычно выше постоянного. Поэтому одного из рекомендованных ESC будет достаточно для большинства 5-дюймовых FPV-дронов без особых волнений.

Живучесть и вес#

Современные ESC часто продвигают с более высокими амперными рейтингами, чтобы обозначить повышенную живучесть и устойчивость к скачкам напряжения. Хотя вашему дрону может и не требоваться 50A или 60A при обычном использовании, ESC с более высоким рейтингом всё равно может быть желателен ради надёжности. ESC с более низким рейтингом, например 30A, могут быть более уязвимы при крашах, хотя для типичного использования их достаточно. Однако остерегайтесь роста веса. Если вы собираете лёгкий дрон, вероятно, не стоит перебарщивать.

Прошивки ESC#

SimonK и BLHeli#

Две старейшие открытые прошивки ESC для мультироторов — SimonK и BLHeli. Сейчас они устарели и в современных ESC не используются, но заслуживают почётного упоминания как заложившие фундамент FPV-дронов.

BLHeli_S и Bluejay#

BLHeli_S — второе поколение прошивки BLHeli, разработанное специально для ESC с более быстрыми 8-битными процессорами «Busybee».

Хотя официальная BLHeli_S больше не обновляется (фокус разработки сместился на более новую BLHeli_32), появились кастомные прошивки для железа с BLHeli_S, дающие передовые возможности и производительность на уровне новейших и более дорогих BLHeli_32 ESC. Яркий пример — Bluejay, и я настоятельно рекомендую перепрошить ваш BLHeli_S ESC на Bluejay для оптимальной производительности.

BLHeli_32#

BLHeli_32 — третье и самое свежее поколение BLHeli. Разработанное специально под 32-битные процессоры, в этой итерации оно стало закрытым. Хотя BLHeli_32 даёт определённые преимущества и уникальные функции по сравнению с BLHeli_S, оно заметно дороже и не даёт значительного прироста производительности, поэтому многие пилоты до сих пор предпочитают покупать более дешёвый BLHeli_S ESC и прошивать его на Bluejay.

Учтите, что BLHeli_32 больше не развивается, так что стоит выбирать открытую прошивку, активно поддерживаемую сообществом, — например AM32 или Bluejay.

AM32#

AM32 — относительно новая открытая прошивка, конкурирующая с BLHeli_32. Некоторые новые ESC уже поставляются с AM32.

Какую прошивку ESC выбрать?#

Разница в производительности между BLHeli_S ESC (с Bluejay) и AM32 минимальна, так что с любым вариантом вы не прогадаете. Обе прошивки теперь поддерживают двунаправленный DShot, а значит, вы можете включить RPM-фильтрацию в Betaflight с любым типом ESC.

Протоколы ESC#

Протоколы ESC определяют скорость передачи сигнала мотора между FC (полётным контроллером) и ESC. Вот список протоколов ESC, часто применяемых в FPV-дронах, от старых к новым:

  • Standard PWM
  • Oneshot125
  • Oneshot42
  • Multishot
  • DShot (DShot150, DShot300, DShot600)

Без глубокого погружения в технические детали просто знайте: DShot сейчас — стандартный протокол ESC в FPV-дронах. Для оптимальной производительности в Betaflight всегда используйте DShot.

У DShot есть разные скорости, обозначаемые числом в конце названия. Выбор скорости зависит от частоты PID-цикла (PID Loop Frequency), заданной в Betaflight.

  • Для 2 кГц / 1,6 кГц используйте DShot150.
  • Для 4 кГц / 3,2 кГц используйте DShot300.
  • Для 8 кГц используйте DShot600.

Как подключить ESC?#

ESC питается напрямую от LiPo-батареи, а скорость мотора управляется сигналом от полётного контроллера.

Моторы подключаются к ESC тремя проводами. Перестановка любых двух из трёх проводов просто изменит направление вращения мотора. Направление также можно поменять в настройках ESC — поэтому порядок подключения проводов мотора к ESC на деле не важен.

Подключение одиночного ESC к FC и мотору:

Схема подключения одиночного ESC

Подключение 4-в-1 ESC к FC и моторам:

Схема подключения 4-в-1 ESC

Часто на плате ESC видно большое число конденсаторов. Они нужны для фильтрации шума, создаваемого моторами и FET-транзисторами. Однако вне зависимости от объёма фильтрации на ESC вам всегда следует припаивать дополнительный конденсатор к силовым площадкам вашего ESC. Это снизит шум в системе питания, улучшив картинку FPV и лётные характеристики.

Анатомия ESC#

Теперь, когда мы разобрали типы ESC, ПО и требования, обсудим анатомию и компоненты регулятора. Основные компоненты на ESC:

  • Микроконтроллер (MCU)
  • Драйвер затворов (gate driver)
  • MOSFET
  • Стабилизатор напряжения с малым падением (LDO)
  • Датчик тока
  • Фильтрующие конденсаторы
Анатомия одиночного ESC

4-в-1 ESC по сути содержит четыре ESC, интегрированных на одной плате. Эти ESC могут делить одни и те же компоненты (например, процессор, фильтрующие конденсаторы, стабилизаторы напряжения), что делает 4-в-1 ESC меньше, легче и в целом экономичнее.

Анатомия 4-в-1 ESC

LDO#

Стабилизатор напряжения с малым падением (LDO) используется для понижения напряжения батареи до приемлемого уровня, чтобы питать микроконтроллер и другие компоненты.

Микроконтроллер#

Микроконтроллер, MCU или процессор — это мозг ESC, и именно здесь хранится его прошивка.

Драйвер затворов#

Драйверы затворов используются для управления MOSFET-транзисторами в ESC. Они подключены к затвору (gate) MOSFET, отсюда и название. Старые ESC используют простые транзисторы для управления MOSFET. Выделенные драйверы затворов повышают эффективность активного торможения. Вместо отдельных драйверов для трёх фаз мотора современные BLHeli_32 ESC используют микросхему FD6288 от Fortior — одна такая содержит три независимых драйвера затворов MOSFET.

MOSFET#

MOSFET-транзисторы работают как ключи: они включают и выключают питание тысячи раз в секунду — именно так вращаются моторы. Более крупные MOSFET обычно означают, что ESC может выдержать более высокие напряжение и ток, делая его надёжнее. Размер MOSFET особенно важен для высоковольтных сборок, таких как 6S, из-за более высоких скачков напряжения.

Датчик тока#

Датчик тока измеряет ток, проходящий через ESC, и передаёт эту информацию полётному контроллеру. Это удобно: вы можете в реальном времени видеть на экране потребление тока дрона и сколько ёмкости батареи израсходовано.

Процессор ESC#

ESC для мультироторов на рынке в основном используют микроконтроллеры от ATMEL, Silabs и на базе ARM Cortex. У каждого типа MCU свои характеристики, возможности и поддержка прошивок:

  • ATMEL 8-бит: совместим и с SimonK, и с BLHeli.
  • SILABS 8-бит: поддерживается BLHeli или BLHeli_S.
  • ARM Cortex 32-бит (например, STM32 F0, F3, L4): может работать с BLHeli_32.

ESC на ATMEL 8-бит с SimonK были более распространены, пока популярность не набрали ESC на Silabs — из-за роста BLHeli_S. В 2016 году в ESC пришли 32-битные ARM-ядра, работающие на BLHeli_32.

Процессоры BLHeli_32 ESC#

BLHeli_32 ESC используют процессоры STM32, похожие на те, что стоят в полётных контроллерах. Распространённые процессоры в ESC — F0, F3 и F4.

Производители начали ставить более мощные MCU F3 и F4 на BLHeli_32 ESC с 2021 года — в основном из-за мирового дефицита чипов, а не ради вычислительной мощности. Эти более мощные ESC не дают значимых преимуществ перед исходными BLHeli_32 ESC на F0 или более старыми BLHeli_S. Высокая частота PWM (например, 128 кГц) у более быстрых процессоров полезна главным образом для определённых типов FPV-дронов — например, для кинематографических полётов и микродронов, где нужны более плавные моторы и лучшая эффективность.

Процессоры SILABS F330 и F39X#

Эти процессоры используются в BLHeli_S ESC. F330 имеет меньшую тактовую частоту, чем F39X, и может испытывать трудности с высоко-KV моторами. У F39X таких проблем нет.

Процессоры Busybee (EFM8BB)#

Это процессоры BLHeli_S ESC. MCU Busybee — апгрейд относительно F330 и F39X. Если у вас сейчас BLHeli_S ESC, он, вероятно, использует чип BusyBee. Есть несколько чипов:

  • BB1 – EFM8BB10F8
  • BB2 – EFM8BB21F16
  • BB51 – EFM8BB51F16

Вместо программного PWM у Busybee есть выделенное аппаратное обеспечение для генерации PWM-сигнала, синхронизированного со скважностью процессора, что даёт более плавный отклик газа. Они также поддерживают DShot.

Общий рейтинг производительности среди 8-битных процессоров (от лучшего к худшему): BB5/BB2 > BB1 > F39X > F330 > Atmel-8-бит.

Как работает ESC?#

ESC управляет мотором, поочерёдно подавая ток на полюса статора в определённой последовательности, создавая магнитное поле, которое толкает и тянет магниты мотора, заставляя его вращаться. Этот процесс называется коммутацией, и он должен быть точно синхронизирован по времени.

Пользователь может регулировать тайминг для тонкой настройки дрона — в настройках ESC это называется motor timing.

Чтобы мотор вращался правильно, тайминг ESC должен идеально совпадать со скоростью и положением мотора. Любое нарушение этого тайминга может вызвать рассинхронизацию (desync), при которой ESC и мотор теряют «связь», из-за чего мотор дёргается или полностью останавливается. Это называется ESC desync.

Заключение#

Вооружившись базовой информацией о типах ESC, электрических рейтингах, протоколах и анатомии, вы хорошо подготовлены к выбору идеального ESC для сборки вашего FPV-дрона. Помните, что большинство новейших ESC на рынке работают на схожем уровне, так что ошибиться с любым из вариантов сложно. Сосредоточьтесь на понимании собственных нужд и предпочтений, чтобы найти лучшее соответствие для вашей сборки.