電子速度制御

電子速度制御装置( ESC )は、電気モーターの速度を制御および調整する電子回路です。また、モーターの逆転やダイナミック ブレーキも提供します。小型の電子速度制御装置は、電動ラジオ コントロール モデルで使用されます。フルサイズの電気自動車にも、駆動モーターの速度を制御するシステムが搭載されています。

電子速度制御は、速度基準信号（スロットルレバー、ジョイスティック、またはその他の手動入力から得られる）に従い、電界効果トランジスタ（FET）ネットワークのスイッチング速度を変化させます。^{[1]トランジスタの}デューティサイクルまたはスイッチング周波数を調整する ことで、モーターの速度が変わります。モーターを流れる電流が急速に切り替わることで、モーター自体が特徴的な高音のうなり音を発します。この音は、特に低速時に顕著です。

ブラシ付き DC モーターとブラシレス DC モーターには、異なるタイプの速度制御が必要です。ブラシ付きモーターは、アーマチュアの電圧を変化させることで速度を制御できます。(工業的には、永久磁石の代わりに電磁石界磁巻線を備えたモーターも、モーター界磁電流の強さを調整することで速度を制御できます。) ブラシレス モーターには、異なる動作原理が必要です。モーターの速度は、モーターの複数の巻線に供給される電流パルスのタイミングを調整することで変化します。

ブラシレスESCシステムは、基本的に可変周波数ドライブのような3相 交流電力を生成し、ブラシレスモーターを駆動します。ブラシレスモーターは、従来のブラシ付きモーターに比べて効率、パワー、寿命、軽量であることから、ラジコン飛行機愛好家の間で人気があります。ブラシレスDCモーターコントローラーは、ブラシ付きモーターコントローラーよりもはるかに複雑です。^[2]

モーターに供給される電流の正しい位相はモーターの回転によって変化し、ESC はこれを考慮する必要があります。通常、モーターの巻線からの逆起電力を使用してこの回転を検出しますが、別の磁気 (ホール効果) センサーまたは光検出器を使用するバリエーションも存在します。コンピューター プログラム可能な速度制御には通常、低電圧カットオフ制限、タイミング、加速、ブレーキ、および回転方向を設定できるユーザー指定のオプションがあります。モーターの方向を逆にするには、ESC からモーターへの 3 つのリード線のうちの 2 つを切り替えることもできます。

ESC の定格は通常、最大電流(例: 25アンペア(25 A))に応じて決まります。一般に定格が高いほど、ESC は大きく重くなる傾向があり、これは飛行機の質量とバランスを計算する際の要素となります。最近の ESC の多くは、さまざまな入力電圧とカットオフ電圧を持つニッケル水素、リチウムイオンポリマー、リン酸鉄リチウムのバッテリーをサポートしています。バッテリーエリミネーター回路(BEC)を選択する場合、コントローラーに組み込まれているかスタンドアロンユニットであるかに関係なく、バッテリーの種類と接続されるセルの数は重要な考慮事項です。接続されるセルの数が多いほど電力定格が低下し、リニア電圧レギュレーターを使用する場合、統合型 BEC でサポートされるサーボの数が少なくなります。スイッチングレギュレーターを使用する適切に設計された BEC には、同様の制限はありません。

最近の ESC のほとんどには、入力信号を解釈し、組み込みプログラムまたはファームウェアを使用してモーターを適切に制御するマイクロコントローラーが搭載されています。場合によっては、工場で組み込まれたファームウェアを、公開されている代替のオープンソースファームウェアに変更することができます。これは通常、ESC を特定のアプリケーションに適合させるために行われます。一部の ESC は、ユーザーがファームウェアをアップグレードできるように工場で製造されています。他の ESC は、プログラマーを接続するためにはんだ付けが必要です。ESC は通常、独自のファームウェアを搭載したブラックボックスとして販売されています。2014 年現在、スウェーデンのエンジニアである Benjamin Vedder が、後に VESC と呼ばれるオープンソース ESC プロジェクトを開始しました。^[3] VESC プロジェクトは、高度なカスタマイズ オプションと、他のハイエンド ESC と比較して比較的リーズナブルな製造価格で注目を集めています。^[4]

大型の高電流ESCは、日産リーフ、テスラロードスター（2008）、モデルS、モデルX、モデル3、シボレーボルトなどの電気自動車で使用されています。消費エネルギーは通常、キロワットで測定されます（たとえば、日産リーフは最大340 Nmのトルクを生み出す160 kWのモーターを使用しています）。量産されている電気自動車のほとんどには、車が惰性で走行またはブレーキをかけているときにモーターを発電機として使用して車を減速させるエネルギーを捕捉するESCが搭載されています。捕捉されたエネルギーはバッテリーの充電に使用され、車の走行距離が延びます（これは回生ブレーキとして知られています）。テスラが製造する車両など、一部の車両では、これを非常に効果的に減速するために使用できるため、車の従来のブレーキは非常に低速でのみ必要になります（速度が低下するとモーターブレーキの効果は低下します）。日産リーフなどの他の車では、惰性走行時にわずかな「抗力」効果しかなく、ESC が従来のブレーキと連動してエネルギー捕捉を調整し、車を停止させます。

量産電気自動車に使用されている ESC には通常、逆転機能があり、モーターを両方向に回転させることができます。車にギア比が 1 つしかない場合、モーターを反対方向に回転させるだけで車を後進させることができます。DC モーターを搭載した一部の電気自動車にもこの機能があり、電気スイッチを使用してモーターの方向を逆転させますが、モーターを常に同じ方向に回転させて、従来の手動または自動変速機を使用して方向を逆転させるものもあります (通常、これは、改造に使用する車両にすでに変速機が装備されており、元のエンジンの代わりに電気モーターを取り付けるだけなので、簡単です)。

電動自転車用モーターは高い初期トルクを必要とするため、速度測定にはホール効果センサーを使用します。電動自転車用コントローラーは、一般的にブレーキ作動センサーとペダル回転センサーを使用し、ポテンショメーターで調整可能なモーター速度、正確な速度調整のための閉ループ速度制御、過電圧、過電流、熱保護の保護ロジックを提供します。ペダルトルクセンサーを使用して、適用されたトルクに比例したモーター補助を可能にしたり、回生ブレーキをサポートしたりすることもありますが、ブレーキの頻度が低く、自転車の質量が軽いため、回収エネルギーが制限されます。Zilog のホワイトペーパー^[5]には、200 W、24 Vブラシレス DC 電気(BLDC) モーター用の電動自転車ハブモーターコントローラーの実装について説明されています。^[6]

自転車の電動化キットのコンポーネントのリストにPASまたはPASと記載されている場合があり、これはペダルアシストセンサーまたはパルスペダルアシストセンサーを意味します。パルスは通常、クランクの回転速度を測定する磁石とセンサーに関連しています。足の下のペダル圧力センサーは可能ですが、一般的ではありません。^[7]

ESC は、受信機のスロットル制御チャネルに差し込むスタンドアロン ユニットにすることも、ほとんどのおもちゃグレードの R/C 車両の場合のように受信機自体に組み込まれることもできます。エントリー レベルの車両、船舶、または航空機に独自の趣味グレードの電子機器を搭載する一部の R/C メーカーは、1 つの回路基板上に 2 つを組み合わせたオンボード電子機器を使用しています。

モデル RC 車両の電子速度制御装置には、受信機 の電圧を調整するためのバッテリー エリミネーター回路が組み込まれている場合があり、受信機用の別個のバッテリーが不要になります。レギュレーターは、 リニア モードまたはスイッチ モードです。広義の ESC は、電動モーターのPWMコントローラーです。ESC は通常、パルス幅が 1 ms ～ 2 ms の範囲の公称 50 Hz PWM サーボ入力信号を受け入れます。50 Hz で幅 1 ms のパルスが供給されると、ESC は出力に接続されたモーターをオフにすることで応答します。1.5 ms のパルス幅の入力信号は、モーターを約半分の速度で駆動します。2.0 ms の入力信号が提供されると、モーターは全速で動作します。

車のスポーツ用途向けに設計された ESC には、一般的に後進機能があります。新しいスポーツ コントロールでは、レースで使用できないように後進機能を無効にできます。レース専用に設計されたコントロールや一部のスポーツ コントロールには、ダイナミック ブレーキ機能という利点もあります。ESC は、アーマチュアに電気負荷をかけることで、モーターを発電機として動作させます。これにより、アーマチュアの回転が困難になり、モデルが減速または停止します。一部のコントローラーには、回生ブレーキの利点が追加されています。

ラジオ コントロール ヘリコプター用に設計された ESC には、ブレーキ機能は必要ありません (一方向ベアリングではいずれにせよ役に立たなくなるため)。また、逆方向も必要ありません (ただし、モーター ワイヤは取り付けた後ではアクセスや変更が困難な場合が多いため、この機能は役立ちます)。

多くのハイエンド ヘリコプター ESC には、モーター RPM を設定速度に固定する「ガバナーモード」が用意されており、 CCPMベースの飛行に大きく役立ちます。これはクワッドコプターでも使用されます。

無線操縦飛行機用に設計された ESC には、通常、いくつかの安全機能が備わっています。バッテリーからの電力が電気モーターの稼働を継続するのに不十分な場合、ESC はモーターへの電力を削減または遮断しますが、エルロン、ラダー、エレベーターの機能は引き続き使用できます。これにより、パイロットは飛行機の制御を維持し、滑空または低電力での安全な飛行を行うことができます。

ボート用に設計された ESC は、必然的に防水です。防水構造は、非船舶用 ESC とは大きく異なり、空気を閉じ込めるエンクロージャがより密集しています。そのため、急速な故障を防ぐために、モーターと ESC を効果的に冷却する必要があります。ほとんどの船舶用 ESC は、モーターによって循環される水、またはドライブ シャフト出力付近のプロペラ負圧によって冷却されます。自動車用 ESC と同様に、ボート用 ESC にはブレーキ機能とリバース機能があります。

電子速度コントローラー(ESC) は、現代のクワッドコプター (およびすべてのマルチローター) に不可欠なコンポーネントであり、非常にコンパクトな小型パッケージでモーターに高出力、高周波数、高解像度の 3 相 AC 電力を提供します。これらの航空機は、プロペラを駆動するモーターの可変速度に完全に依存しています。モーター/プロペラ速度の広範囲にわたる微速度制御により、クワッドコプター (およびすべてのマルチローター) の飛行に必要なすべての制御が可能になります。

クワッドコプターのESCは通常、他のほとんどのRCアプリケーションで使用される標準の50Hz信号と比較して、より高速な更新レートを使用できます。現代のマルチローターでは、PWM以外のさまざまなESCプロトコルが利用されており、Oneshot42、Oneshot125、Multishot、DShotなどがあります。DShotは、高解像度、CRCチェックサム、発振器ドリフトがない（キャリブレーションが不要）など、従来のアナログ制御よりも優れた利点を提供するデジタルプロトコルです。現代のESCプロトコルは37.5kHz以上の速度で通信でき、DSHOT2400フレームはわずか6.5μsしかかかりません。^{[8] [9]}

ほとんどの電動鉄道模型は、レールまたは架線から車両に送られる電気で駆動されるため、電子速度制御装置を搭載する必要はありません。ただし、デジタル ステアリング システムを備えた鉄道模型の場合は、この限りではありません。デジタル ステアリング システムでは、複数の列車を同じ線路で異なる速度で同時に走行させることができます。

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