无刷电调基础知识以及BLHeli固件烧录和参数调整

标题: 无刷电调基础知识以及BLHeli固件烧录和参数调整
作者: 梦幻之心星    [email protected]
标签: [#基础知识,#电调,#BLHeli,#固件,#烧录,#调参]
目录: [电调]
日期: 2021-02-01

基础知识

电调

  • ESC代表电子速度控制器，简称为电调。电调从飞行控制器接收油门信号，并以所需速度驱动无刷电机。
    电调工作原理

电调固件

  • 电调固件是在每个电调上运行的软件，它确定电调的性能，支持的协议以及可以使用的配置接口。电调可以使用的固件取决于硬件。
  • SimonK：最古老的两种开源电调固件之一，已经过时不再更新。
  • BLHeli：最古老的两种开源电调固件之一，由于其广泛的功能和友好的用户界面而变得流行。
  • BLHeli_S：BLHeli固件的第二代。专门为具有Busybee处理器的电调开发。
  • BLHeli_32：第三代和最新一代BLHeli固件。专门为32位电调编写，不再开源。

电调处理器

  • 市场上大多数电调使用ATMEL、Silabs和ARM的处理器。不同的处理器具有不同的规格和功能，并且受不同的固件支持。
  • ATMEL 8位：支持SimonK和BLHeli固件。
  • SILABS 8位：支持BLHeli或BLHeli_S固件。
    • 主要处理器是F330和F39X系列的F390和F396。
    • Busybee处理器是F330和F39X的升级。有BusyBee1(EFM8BB10F8)和BusyBee2(EFM8BB21F16)两种。
  • ARM 32位：支持BLHeli_32固件。

电调协议

  • 电调协议是飞行控制器和电调用于通信的语言，决定了信号从飞控到电调的发送速度。
  • 四轴飞行器使用的电调协议及信号宽度

电调BEC

  • BEC表示 电池消除电路，本质上是电压调整器。作用是将主电池组的电压降压到5V输出。
  • 通常内置在电调中，消除了为5V电子设备供电所需的单独电池的麻烦。

BLHeliSuite

手册

  • BLHeliSuite的手册位于BLHeliSuite的Manuals目录
  • BLHeliSuite的手册主要文件内容：
    • BLHeli manual xx xx.pdf：Atmel MCU和SiLabs MCU的电调的参数
    • BLHeli programming adapters.pdf：适配器的制作和使用
    • BLHeli supported xx ESCs.pdf：支持的Atmel和SiLabs电调的图片及参数
    • BLHeliSuite 4w-if interfaces pinout.pdf：Arduino板上用于Atmel/SiLabs电调的BLHeliSuite的4w-if的引脚配置
    • BLHeliSuite 4w-if protocol.pdf：用于Atmel/SiLabs电调的BLHeliSuite的4w-if的通信协议
      BLHeliSuite的Manuals目录

适配器

首次刷新电调固件
  • SiLabs MCUs电调支持以下适配器
    • Arduinos：使用SILABS C2 (4way-if)接口。初次使用Arduinos作为适配器时需要对Arduinos进行编程烧录。
    • SiLabs Toolstick：使用SILABS C2 (Toolstick) 接口。
    • USB Flashing stick：使用SILABS C2 (Toolstick) 接口。
    • BLHeli Skywalker stick：使用SILABS C2 (Toolstick) 接口。
  • Atmel MCUs电调支持以下适配器
    • Arduinos：使用ATMEL ISP Interface (AVRDude) 接口。初次使用Arduinos作为适配器时需要对Arduinos进行编程烧录。
    • USBasp：使用ATMEL ISP Interface (AVRDude) 接口。
刷新电调引导程序
  • 刷新电调引导程序为BLHeli主要有USB/Com和4way-if两种类型的接口。
  • Arduinos(4way-if)：使用SILABS BLHeli Bootloader (4way-if)或ATMEL BLHeli Bootloader (4way-if) 接口。使用Arduinos作为适配器时需要对Arduinos进行编程烧录。
  • Arduinos(USB/UART 1-Wire bridge)：使用SILABS BLHeli Bootloader (USB/Com)或ATMEL BLHeli Bootloader (USB/Com) 接口。使用Arduinos作为适配器时需要对Arduinos进行编程烧录。
  • Favourite stick：使用SILABS BLHeli Bootloader (USB/Com)或ATMEL BLHeli Bootloader (USB/Com) 接口。
  • FTDI stick：使用SILABS BLHeli Bootloader (USB/Com)或ATMEL BLHeli Bootloader (USB/Com) 接口。
  • Multistar stick：使用SILABS BLHeli Bootloader (USB/Com)或ATMEL BLHeli Bootloader (USB/Com) 接口。

背景说明

  • 适配器：Arduino Nano ATMEGA328P
  • 电调：主控芯片SIL F330，功率管AON6504，供电1-4S，电流20A-30A，无BEC
    电调图片

操作说明

前期准备

  1. 下载Arduino Nano所用的USB转串口芯片CH340C的驱动程序CH341SER.ZIP，安装驱动。
  2. 下载BLHeliSuite，一般下载BLHeliSuite16714902.zip即可。
  3. 根据电调外观和信息，查阅手册BLHeli supported xx ESCs.pdf 以确定电调型号。或者根据电调PCB确定电调的主控芯片型号。
  4. 根据电调的主控芯片型号，查阅手册BLHeli programming adapters.pdf以确定需要用到的适配器和接口，以及适配器的制作方法。
  5. 根据所使用的适配器和所需操作使用的接口，查阅手册BLHeliSuite 4w-if interfaces pinout.pdf 以确定引脚连接。

制作适配器

  1. 连接适配器和电脑，打开BLHeliSuite。
  2. 点击Make interfaces标签页。
  3. 点击Port选择USB-SERIAL CH340 对应的端口，点击Arduino Board选择Nano w/ ATmega328开发板，点击Baud选择115200波特率，点击Arduino 4way-interface。
    制作接口-主界面
  4. 点击OK，选择最后一个文件后点击打开。
  5. 点击Yes。
    制作接口-确认对话框
  6. 等待烧录Arduino，出现Arduino flashed sucsessfully by Avrdude表示已成功将Arduino Nano烧录为适配器。点击OK。
    制作接口-烧录成功界面

连接电调

  1. 连接适配器和电调（VCC GND C2D C2CK）。
    引脚连接图
  2. 点击Select ATMEL/SILABS Interface选择SILABS C2 (4way-if)接口。
    接口选择
  3. 点击SiLabs ESC Setup标签页。
  4. 点击Port选择USB-SERIAL CH340 对应的端口，点击connect，点击Read setup读出电调参数设置。
    连接电调
  5. 出现setup read successfully表示已成功连接到电调并读取到电调的参数。点击OK。

刷新固件

  1. 点击Flash BLHeli
  2. 在弹出的窗口中选择固件名称、固件类型（MAIN：直升机主桨；TAIL：直升机尾桨；MULTI：多桨）、固件版本，点击OK。
    刷新固件
  3. 点击Yes。
    刷新固件-确认对话框
  4. 等待烧录固件，出现sucsessfully表示已成功将电调固件烧录到电调。点击OK。在下一个弹出的窗口中点击Yes。

调整参数

  1. 点击ESC Setup选择Save Setup to ini file 以备份电调当前的参数。
    备份电调设置
  2. 修改电调参数。降低启动功率，降低电调输出的PWM频率，开启低转速功率保护。
    电调参数设置
  3. 点击Write setup将参数写入电调。

  • 多轴编程参数表
    多轴编程参数表

  • 电调参数说明，详见官方手册BLHeli manual xx xx.pdf

    英文参数 中文参数 参数说明
    Startup power 启动功率 启动时允许的最大功率，实际的功率取决于油门的输入。
    Motor timing 电机进角 通常设置中进角即适用于大部分电机，但如果电机运转不顺畅时,可以尝试改变进角。
    Demag compensation 消磁补偿 防止电机换向后消磁时间过长而引起的电机停转。补偿值越高，保护越好。但补偿值太高，会降低最大功率。
    Motor direction 电机转向 在双向模式下，油门中点为零点，中点以上为正转,中点以下为反转。
    Startup Beep Volume 蜂鸣器音量 设置正常运行下蜂鸣音量。
    Beacon/Signal Volume 信标音量 设置信标的音量。如果零油门信号的时间超过一个设定的时间，电调控制马达发出警报声。以便于找回丢失的飞行器。
    Beacon delay 信标延迟 设置信标开始发出之前的延时。
    PPM Min throttle;
    PPM max throttle;
    PPM center throttle    		 最小油门;
    最大油门;
    中位油门    		 设置电调的油门行程量。中位油门只用于双向模式。正常情况下， 油门信号值在1000us-2000us之间。 对于其他数值输入信号， 则需要做相应比例换算。
    Temperature protection 温度保护 温度保护阀值可以设置为80℃-140℃。
    Low RPM power protect 低转速功率保护 禁用可以保证低KV电机在低电压运行时实现全功率。但是禁用后会加剧同步丢失的风险，导致烧坏电机。
    Brake on stop 停车制动 在通电状态，零油门时会有刹车功能。如果油门没有零点，此项设置无效。
    Closed Loop Mode 闭环模式 设置控制环的运行速度范围。在闭环模式下，运行时的油门值对应电机的转速目标。关闭时将禁用控制环。
    Closed Loop P-Gain 闭环比例增益 设置转速控制环的比例增益。控制从速度误差到电机功率的增益。
    Closed Loop I-Gain 闭环积分增益 设置转速控制环的积分增益。控制从积分速度误差到电机功率的增益。
    Motor Gain 电机增益 缩放给定输入施加到电机的功率。仅适用于PWM输入，对PPM输入则无效。会限制电机的最大功率。
    PWM Output Dither PWM输出抖动 增加电机PWM关闭周期的长度。减少在PWM频率等于电机换向频率的谐波的转速区域中的问题，并且可以减少达到全油门的步进。不适用于闭环模式。
    PWM Frequency/Damped PWM频率/阻尼 设置电调输出的PWM频率。高PWM频率约为20kHz，低PWM频率约为8kHz，轻阻尼模式始终使用高pwm频率。低频率PWM减小了到满功率的步进。轻阻尼模式会增加电机的损耗，从而加快减速速度。
    Enable PWM Input 启用PWM输入 如果禁用，则仅接受1-2ms 脉宽的PPM和 OneShot125(125-250us)作为有效输入信号。启用后支持1kHz，2kHz，4kHz，8kHz和12kHz 的PWM输入信号。
    Input Polarity 输入极性 用于反转油门。与提供负PWM的接收器一起使用。使用PPM输入时，必须将其设置为正。

注意事项

  • 据说电调名称所写的FVT Littlebee 20A并不是真实型号，升级固件可能导致电调烧毁。
  • 电调在驱动电机运转前需要执行解锁序列以进行解锁
    1. 上电时， 电调发出3声蜂鸣声。
    2. 当检测到油门信号时， 发出一声低音。 表示解锁信号序列开始。
    3. 当油门减小到零时， 发出一声高音。 表示解锁信号序列结束。
      电调解锁序列
  • SILABS电调接口标号为A、B、C、D，Atmel电调接口标号为1、2、3、4、5、X。通过接口所对应的标号，可以在Make interfaces界面方便快捷的得知需要制作的适配器。
  • 在使用Arduino Nano w/ ATmega328P作为适配器时。如果Arduino Nano使用的是旧版的引导程序，波特率设置为57600；如果Arduino Nano使用的是新版的引导程序，波特率设置为115200。
    Arduino Nano w/ ATmega328P 引导程序烧录设置

参考资料

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