Gli ESC

Cosa sono gli ESC.

Per molti anni, la velocità motori elettrici usati nel modellismo è stata controllata tramite un reostato mosso da un servocomando; essendo un sistema tutt’altro che pratico, appena la tecnologia ha consentito, i reostati sono stati sostituiti da dei regolatori elettronici, chiamati ESC, dall’inglese “elettronic speed controller”.

Gli  ESC sono anche indispensabili per il funzionamento dei motori brushless (senza spazzole), che non possono essere alimentati direttamente senza l’ausilio di un regolatore elettronico.

Breve cenno alla storia degli ESC per i racers.

I primi multirotori utilizzavano degli ESC ideati per comandare i motori degli aeromodelli. Siccome questi non avevano una risposta abbastanza pronta per un drone, era quasi indispensabile installarvi il firmware “Simonk”, creato ad hoc.

In seguito, il firmware Simonk venne sostituito da BlHeli, che garantiva prestazioni superiori e cosa più importante poteva utilizzare processori più potenti, aprendo la strada ad ESC specifici per droni.

La vera innovazione la fece Flyduino, mettendo in commercio i primi Kiss ESC, che si caratterizzavano per le dimensioni molto ridotte e un firmware proprietario dotato del “Regenerative braking” (una funzione che permette di frenare il motore per abbassare il numero di giri velocemente).
Il loro “unico” difetto era che i primi modelli, prendevano fuoco facilmente…. 😀

Dopo i Kiss ESC, anche Simonk e BlHeli vennero dotati di una sorta di regenerative braking (il damped light).

In pochi anni sono stati messi in commercio molti modelli di ESC specifici per i droni racers, con processori sempre più potenti ed elettronica sempre più performante.
Sempre Flyduino ha introdotto il protocollo di trasmissione dati “OnShot” e successivamente DShot; protocolli che sono implementati anche da altri firmwares.
BlHeli è stato sostituito da BlHeli_S, con funzioni sempre più mirate alle performance dei racers e a questo si è aggiunto BlHeli32; un firmware proprietario molto simile al precedente, che presenta funzionalità ancora più avanzate.

Come è fatto un ESC.

L’ESC è una piccola scheda elettronica, i cui componenti principali sono un micro controllore e dei transistor di potenza (FET), che inviano la corrente al motore.

In genere, ad un lato dell’ESC vi sono saldati i due fili nero e rosso di alimentazione e altri due fili più sottili, che corrispondono al filo di segnale e di massa (quasi sempre il filo di segnale e massa, terminano con un connettore identico a quelli dei servocomandi). Alcuni ESC di nuova generazione, sono pure dotati di una connessione per la telemetria.
A differenza degli ESC per aeroplani, che hanno integrato un BEC (battery eliminator circuit) che consente di alimentare l’elettronica, di solito gli ESC per i droni non ne sono dotati; pero può capitare ancora di vedere degli ESC dotati di BEC, che hanno anche un filo sottile rosso che va al pin centrale del connettore del segnale.

Sul lato opposto, in genere vi sono tre contatti a cui saldare direttamente i fili provenienti dal motore, o in alternativa vi sono già saldati dei fili, che possono essere utilizzati o rimossi.

Esistono anche degli ESC detti quattro in uno, che sono in pratica quattro ESC inglobati in una sola scheda, che fa anche le veci  della PDB.

Come si collega.

Il tre fili del motore, vanno collegati alle tre uscite dell’ESC. In genere si preferisce saldarli direttamente ai tre pads, senza usare connettori, spesso causa di problemi.
I tre fili del motore (che corrispondono alle tre fasi), in pratica sono identici e possono essere collegati in modo casuale a qualsiasi uscita dell’ESC. L’unica cosa che possono influenzare, è il verso di rotazione; infatti scambiando fra di loro due fili qualsiasi del motore, si inverte il senso di rotazione.


Nel caso di ESC quattro in uno, sono presenti quattro gruppi di tre contatti, che corrispondono alle uscite di ogni ESC; ogni motore andrà connesso alle uscite di un singolo ESC.

I fili di alimentazione, che si distinguono perché sono di sezione notevolmente superiore rispetto agli altri, vanno saldati direttamente alla power distribution board: il nero va collegato al negativo (-) e il rosso al positivo (+).

I fili del segnale vanno o saldati direttamente alle uscite corrispondenti sul flight controller, oppure a quelle eventualmente presenti sulla PDB, che a loro volta saranno collegate alla FC (si raccomanda di collegare anche il filo di massa e non solo quello del segnale).


Nel caso di ESC quattro in uno, vi sono due pads a cui saldare i due fili di alimentazione (in alcuni casi sono già presenti di fabbrica), che tramite un connettore andranno direttamente alla batteria.


Sugli ESC quattro in uno, in genere è presente un connettore che mette a disposizione i quattro fili del segnale ed uno di massa; in questo caso, collegare i fili di segnale alle rispettive uscite della FC e quello di massa, ad una massa qualunque sempre sulla FC.

I protocolli di comunicazione.

PWM:

I fino a poco fa, gli ESC usavano solo il protocollo PWM, che anche se per i droni è obsoleto, è ancora il protocollo più utilizzato in tutto il modellismo. In pratica, a parte qualche modello costoso funzionante in S_Bus, tutto il resto del modellismo comunica in PWM.

Il protocollo PWM, ha lo svantaggio di non essere sincronizzabile con il loop time del PID controller e di potere avere una frequenza non superiore a 480hz, quindi nel settore dei droni è stato presto soppiantato da OneShot.

Il protocollo PWM, può essere utilizzato su qualsiasi ESC.

OneShot:

Oneshot è molto simile al PWM, ma il segnale viene inviato ad ogni ciclo del loop time del PID controller, quindi gli ESC sono sempre aggiornati quasi in tempo reale.
Un’altro grande vantaggio di OneShot, è che creando un nuovo standard si è anche potuta accorciare la durata degli impulsi, consentendo di aumentare il loop time del PID controller.

Esistono varie versioni di OneShot, che possono raggiungere differenti velocità:

ProtocolloDurata impulsi min/maxLoop time max
OneShot125125μs – 250μsFino a 4Khz
OneShot4242μs – 84μsFino a 11.9Khz
MultiShot5μs – 25μsFino a 40Khz

Nb: più veloce è il protocollo, più brevi sono gli impulsi, quindi più è probabile incappare in errori di trasmissione.

Il protocollo OneShot, può essere utilizzato su tutti gli ESC Kiss oppure con firmware Blheli, BlHeli_s o BlHeli_32, anche se alcuni sono limitati alle velocità più basse.

DShot:

DShot è un nuovo protocollo, che trasmette i dati in formato digitale, quindi più preciso ed affidabile.

Maggiori dettagli sul protocollo DShot, si possono trovare in questo articolo.

Quale protocollo scegliere:

Il protocollo PWM, andrebbe scartato a priori, in quanto obsoleto.

Rimane da scegliere fra OneSot e DShot: Senza dubbio DShot è la soluzione più moderna ed affidabile, quindi a parer mio sarebbe la prima scelta, ma se si possiedono degli ESC che non lo supportano, non vale la pena sostituirli solo per quello.

Io sconsiglio sempre di usare dei protocolli molto più veloci di quelli richiesti dal loop time, perché non danno concreti vantaggi e sono meno affidabili..
Sconsiglio anche di impostare un loop time del PID controller, superiore ai 2Khz!

La calibrazione degli ESC.

Nb: quanto scritto sotto, non è valido se si utilizza il protocollo DShot, in quanto la calibrazione non è necessaria!

Siccome gli ESC sono comandati da una serie di impulsi che comunicano un valore in base alla loro durata, l’ESC deve “misurare” il tempo di ogni impulso tramite il suo oscillatore interno, che non è mai preciso come occorrerebbe.

Per ovviare all’inconveniente, al primo utilizzo ogni ESC va calibrato, in modo da fagli “conoscere” i valori di minimo e massimo.

Per calibrare un singolo ESC, basta collegarlo all’alimentazione avendo il comando del gas al massimo, aspettare che il motore emetta una serie di suoni, quindi portare il comando al minimo e attendere ancora il termine della sequenza sonora.
Nei casi di ESC collegati direttamente al ricevitore (ad esempio il motore di un aeromodello), l’operazione si può fare agevolmente agendo direttamente sul comando di throttle del radiocomando, ma quando bisogna calibrare quattro ESC montati su di un drone, occorre optare per una diversa soluzione….

Per fortuna, tutte le GUI di configurazione dei flight controllers (es. Betaflight Configurator) e anche la maggior parte di quelle di configurazione degli ESC (es. BlHeli Suite), hanno una pagina che permette di comandare i motori direttamente, quindi anche di calibrare gli ESC.
Il metodo per calibrare gli ESC usando Betaflight Configurator, l’ho già descritto nella Guida a Betaflight per principianti, quindi non mi ripeto anche qui, perché basta aprire questo link.

Prima di effettuare la calibrazione, mi raccomando di rimuovere sempre le eliche!!

Invertire il senso di rotazione dei motori.

Come detto in precedenza, il verso di rotazione dei motori dipende da dove vengono collegate le fasi del motore alle uscite dell’ESC e purtroppo non c’è modo di sapere in anticipo quale è la posizione esatta, se non dopo avere provato; in pratica si ha il 50% di probabilità che il motore giri al contrario…

La soluzione più immediata sarebbe dissaldare due fili e risaldarli all’ESC scambiati fra di loro, ma mettersi a dissaldare i fili da un drone già assemblato, non è certo il sogno di nessuno…

Per fortuna, oramai tutti gli ESC hanno un sistema che consente di invertire la rotazione via software, senza dovere scollegare i fili del motore:

BlHeli, BlHeli_s e Blheli_32:

Il verso di rotazione degli ESC che utilizzano il firmware BlHeli o BlHeli_s o Blheli_32, può essere cambiato direttamente all’interno di BlHeli Suite/BlHeli_32 Suite: basta selezionare “Reverse” e cliccare su “Write Setup”.

Kiss ESC:

I Kiss ESC in genere sono dotati di due piazzole, che se collegare fra di loro con un ponte di stagno, invertono il senso di rotazione dei motori.

Simonk:

Il firmware Simonk viene compilato con una versione standard e una a rotazione inversa, quindi per invertire la rotazione via software occorre sostituire il firmware.

Da Betaflight Configurator??

Questo l’ho aggiunto solo perché ultimamente sui social viene spesso chiesto come invertire la rotazione da Betaflight Configurator.

La risposta è che per lo meno al momento, betaflight Configurator non è predisposto per programmare gli ESC, operazione da effettuare con gli appositi programmi.

Anche queste operazioni vanno eseguite dopo avere smontato le eliche!!

Come scegliere gli ESC.

Tensione e corrente:

Per prima cosa occorre conoscere due parametri fondamentali, che sono la corrente richiesta dai motori e la tensione delle batterie che verranno utilizzate sul drone:

Per quel che riguarda la tensione, la cosa è molto semplice, perché in genere nelle caratteristiche degli ESC viene specificato a quante “S” possono funzionare, dove “S” sta per il numero di celle della batteria LIPO: quindi se ad esempio pensiamo di utilizzare batterie a 4S (che è la scelta più comune), un ESC che funziona da 4S a 6S, andrà benissimo.

Per quel che riguarda la corrente, il discorso è un poco più complesso:
In genere viene specificata la corrente che può sostenere l’ESC per un tempo prolungato; quindi un ESC da 30A dovrebbe potere sostenere una corrente tale e continuamente, senza il rischio di danneggiarsi. Però l’ESC per brevi periodi dell’ordine di una decina di secondi, può sopportare anche correnti più elevate di quella riportata in etichetta.
Questo comporta che anche se i nostri motori a regime massimo richiedono ad esempio 40A , considerando che difficilmente verranno sfruttati a pieno regime per più di pochi secondi, potranno essere controllati anche con degli ESC da 30A.

Singolo o quattro in uno?

Ci sono varie correnti di pensiero:

Io in genere prediligo gli ESC singoli, perché in caso se ne guasta uno, basta sostituire solo quello, mentre il quattro in uno lo butti tutto.

C’è però da dire che gli ESC quattro in uno, occupano lo stesso spazio della PDB e sono molto più leggeri, quindi su modelli di piccole dimensioni, sono l’ideale.

Direi che non c’è meglio o peggio, ma la scelta va fatta di volta in volta.

Quale firmware?

Senza dubbio, la scelta è fra BlHeli_S o BlHeli_32, a meno che si possegga una Kiss FC, nel qual caso l’utilizzo dei Kiss ESC (che usano un firmware proprietario) potrebbe dare dei vantaggi.

Siccome BlHeli_32 è il firmware più completo e performante, ma anche BlHeli_S fornisce ottime prestazioni, io consiglio di fare un confronto dei prezzi che si trovano sul mercato; se la differenza è poca, meglio optare per BlHeli_32, se invece comincia ad esserci una differenza di costo elevata, si possono tranquillamente comprare ESC con firmware BlHeli_S.

Chiedere consiglio:

Vi sono migliaia di persone iscritte a social dove si parla solo di droni FPV; la cosa più saggia è sempre chiedere il parere in qualcuno di questi, perché la vera bontà di un prodotto la conosce solo chi lo ha già provato.

La programmazione degli ESC.

Quasi tutti gli ESC hanno la possibilità di essere programmati mediante il comando di throlle al momento della loro accensione, ma quando questi sono montati su di un multirotore, l’operazione è evidentemente difficilmente eseguibile…

Per fortuna esiste il sistema di programmarli anche se sono già montati:

Kiss ESC:

Come già scritto sopra, alchuni Kiss ESC hanno la possibilità di essere impostati eseguendo dei ponticelli sul loro circuito stampato. Però non essendo io un utilizzatore di questi componenti e non essendo tutti identici, rimando ai manuali di ogni singolo modello.

Esc con BlHeli, BlHeli_S e BlHeli_32:

Gli ESC con firmware BlHeli o BlHeli_S, possono essere configurati e aggiornati utilizzano il configuratore ufficiale dal nome BlHeli Suite, che purtroppo esiste solo nella versione per Windows, oppure tramite una app multi-piattaforma, installabile sul browser Chrome dal nome BlHeli Configurator.

BlHeli Configurator

Nel caso di BlHeli_32 che è un codice “chiuso”, esiste solo il configuratore ufficiale, dal nome BlHeli_32 Suite, anche lui solo nella versione per Windows.

BlHeli_32 Suite

Nb: con un po’ di conoscenze informatiche, entrambe le suite possono essere utilizzate sotto sistema operativo Linux, utilizzando l’emulatore “Wine”.

Le Suite possono essere scaricate da questo link: https://www.mediafire.com/folder/dx6kfaasyo24l/BLHeliSuite.
Invece Blheli Configurator è installabile navigando con il browser Crome a questo indirizzo: https://chrome.google.com/webstore/detail/blheli-configurator/mejfjggmbnocnfibbibmoogocnjbcjnk.

La comunicazione fra l’ESC e configuratore, avviene attraverso la porta USB del computer per mezzo di un adattatore collegato al filo del segnale.

Quello sopa serviva per gli ESC con processore Atmel, quello sotto per processori Silabs.

Per fortuna, il team di sviluppo di Betaflight ha fatto una grande cosa, facendo in modo che la flight controller all’evenienza si possa trasformare in un adattatore, consentendo di programmare contemporaneamente tutti gli ESC presenti sul drone.

La programmazione degli ESC, può essere effettuata solo se questi sono alimentati, quindi è sempre necessario collegare la batteria al drone.
Naturalmente se occorre vanno anche installati i drivers sul PC.

Se tutto è impostato correttamente, basta selezionare la porta seriale giusta, cliccare su connect e poi su check per leggere tutte le impostazioni dagli ESC.
Cliccando su write setup, le eventuali modifche apportate saranno scritte nella memoria dell’ESC.
Alcune opzioni sono difficilmente comprensibili e altre invece molto intuitive, come ad esempio “Motor Direction”; se si è alle prime armi, meglio limitarsi alle modifiche indispensabili come la direzione dei motori oppure chiedere aiuto ad un esperto.
Nb: alcuni parametri, se male impostati possono danneggiare motore ed ESC.

Anche queste operazioni vanno sempre eseguite dopo avere rimosso le eliche!!

Autore dell'articolo: Luigi Bomben

7 commenti su “Gli ESC

    mattia

    (12 Giugno 2019 - 21:57)

    Ciao

    ti scrivo perchè ho appena cominciato ad utilizzare gli esc per un piccolo progetto in cui li userei per pilotare dei brushless di un vecchio HDD.
    vorrei chiederti una mano in quanto utilizzo 1 esc con critto “dys xs 30A Blheli s OneShot 42”
    essendo nuovo riguardo gli esc ho provato a tararlo con un arduino che lo pilota con un segnale PWM e quindi tarandolo con tale segnale ma gira lento comunnque e solo a alcuni valori di PWM.
    Sto sbaglaindo taratura?

    Grazie in anticipo

    Mattia

      Luigi Bomben

      (13 Giugno 2019 - 17:46)

      Ciao
      Quegli ESC dovrebbero potere funzionare anche in pwm, ma non so se stai facendo la cosa giusta.
      Non puoi controllarli come se fossero dei motori brushed, ma devi usare la libreria servo, come se fossero dei servocomandi.

    Roberto Guarisco

    (19 Settembre 2019 - 17:29)

    Buongiorno. sono un vero novellino. ho comprato da circa un mese la mia prima trasmittente T8SG multiprotocol e il mio primo drone Mobula 7 con sistema DSM2. per la prima volta, dopo quasi un mese, sono riuscito a mettere in moto i motori ma solo tramite betaflight nella sezione motors… credevo di averli bruciati perché ho provato di tutto guradato ore di filmati su YouTube ma non riesco ad armarli.
    Nella sezione modes ho configurato gli swich, diventano gialli tutti, tranne arms e non riesco….. non riesco ad armare il mobula 7.
    Aiutatemi. se volete. altrimenti mi sa che il primo volo che farà il drone lo farà a motori spenti.
    Grazie comunque. la guida qui sopra per principianti e molto valida. veramente.

      Luigi Bomben

      (23 Settembre 2019 - 13:27)

      Ciao
      se la radio funziona correttamente, dovresti verificare che il valore del throtte con lo stick al minimo, sia superiore di 1000 e inferiore di 1100; in caso contrario devi impostare la radio in modo da ottenere tali valori.
      Nella prima pagina, in un riquadro in alto a destra, dovrebbe anche esserci una lista dei motivi che inibiscono la possibilità di armare, che potresti riportare, perché le informazioni che ho sono poche..

        Roberto Guarisco

        (26 Settembre 2019 - 17:11)

        Ho risolto. ho calibrato gli stick, tutti e quattro, inserendo i valori minimi e massimi , ed è partito. ora sto imparando a calibrarlo in volo in modo che come si alza vada solo in su e non a destra o sinistra. comunque il sito consiglio come ho fatto io di inserirlo nei preferiti. perché molto utile.
        GRAZIE PER LA RISPOSTA
        Roberto.

          Luigi Bomben

          (30 Settembre 2019 - 19:06)

          Ottimo, sono felice di essere stato utile
          Ciao

    GRAZIANO

    (28 Ottobre 2019 - 0:44)

    DA Graziano, 28 ottobre 2019 : Buonasera, ed complimenti, per questo ottimo sito, che spiega in maniera esauriente,
    i componenti dei droni, ed le varie tematiche connesse ; Da due anni ho acquistato un drone, bugs 2, con gps, ed wifi , ultimamente,
    ho provato, per cercare di aumentare, l’autonomia di volo, di usare batterie al lito a 3 s, invece delle 2s, previste, in pratica, ho provato,
    a farlo funzionare , invece che 7.4 volt, a 11.1 volt, con tre batterie, in serie da 2200 ma, ed 30c, di scarica.Risultato, il drone, a bassa velocita,
    con motori al minimo, funziona, ma appena si alza il numero dei, giri, dopo, il radiocomando, non riesce, piu’ successivamente ad abbassare il numero di giri, ed devo solo scollegare la batteria per spegnere i motori.Inoltre, uno dei quattro ESC, si e’ guastato, ed un motore. si e’ svitato, dall’alloggiamento, attorcigliando i tre cavi, ed causando con il cortocircuito il guasto,, del ESC. Reinserendo la batteria, con la giusta tensione di 7.4, ed eliminando. il motore, ed esc, guasto, il drone ha ripreso a funzionare correttamente anche solo per prova, mancando uno, dei quattro motori.Le domande che vorrei fare sono: Se compero, un esc nuovo, poi lo devo programmare, prima di usarlo?? Inoltre, c’e’ un modo per fare funzionare il drone, ad 11.1 volt , magari sostituendo tutti e quattro gli ESC, ? Grazie in anticipo, a chi vorra’ rispondermi.

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