COME È FATTO E COME FUNZIONA UN REGOLATORE ELETTRONICO

In questo articolo verranno descritti analiticamente i componenti interni di un ESC e la metodologia che essi utilizzano per regolare la velocità dei motori elettrici, analizzando la tecnologia r"1 di  questi apparecchi per infine valutarne prestazioni e limiti (in termini di voltaggio ed amperaggio) .
Spesso sottostimiamo l'utilità della tecnologia degli ESC, che viene ormai data per scontata: eppure fino a pochi anni fa gli ESC avevano poca diffusione sul mercato, erano costosi ed ingombranti. Grazie poi al progresso dell'elettronica e alla qualità dei FET, ora gli ESC sono diventati elementi determinanti per la diffusione delle macchine (a dimensioni reali) ad alimentazione ibrida.
II compito di un ESC è utilizzare la corrente continua di una batteria per pilotare con precisione un motore brushless a tre fasi. Dal punto di vista elettronico, molti motori brushless hanno tre cavi di collegamento, collegati principalmente secondo due schemi, lo Wye (a Y) o il Delta; nonostante potrebbero apparire molto diversi fra loro, essi non hanno significative differenze dal punto di vista elettrico.

Dallo schema rappresentato qui a fianco, viene mostrato come, in un sistema brushless, attivando gli interruttori A e B (evidenziati da un asterisco rosso), la corrente passi dal punto +IN attraverso la fase collegata (avvolgimento) ad A e B per andare infine alla massa. La corrente, passando attraverso questa fase, produce un campo magnetico che attrae o respinge il magnete posizionato sul rotore, provocandone il movimento.

MOSFETS (FETS): METAL OXIDE SEMICONDUTTORE E EFFETTO TRANSISTOR
Per provocare  frazioni di rotazione  è necessario accendere gli interruttori al momento giusto e spegnerli prima che la corrente richiesta dal motore aumenti; quando la corrente attraversa una fase il magnete viene attirato (N da S o viceversa) dall'avvolgimento,  provocando la rotazione dell'albero: una volta che il magnete abbia raggiunto l'avvolgimento è necessario invertire l'azione dei FET, cioè degli gli interruttori elettronici, così da cambiare il verso della corrente e respingere il magnete (N con N o S con S), continuando il verso della rotazione. Espanso sui tre avvolgimenti il magnete compie così un intero giro: la procedura viene poi ripetuta più volte.
Nel  diagramma funzionale di un ESC sono presenti  quattro gruppi principali: i MOSFET di potenza, il circuito di pilotaggio, il microprocessore ed il circuito di rilevamento della posizione del motore, tutti in connessione  fra loro.
Nella foto accanto è visibile uno schema dei sei MOSFET e le loro connessioni con l'alimentazione, la massa e i tre fili del motore. Vi è poi il cavo della ricevente, il grosso condensatore che funge da riserva per l'ESC e gli altri componenti , filtri necessari perché sia garantito il funzionamento alla perfezione; a lato si nota una versione CAD semplificata dello stesso circuito ESC.

TECNICA RC
Nella gestione dell'alimentazione del motore da parte dell'ESC, i MOSFET agiscono da interruttori, accendendosi e spegnendosi in modo da alternare il flusso della corrente negli avvolgimenti del motore.

A volte, tuttavia, un solo MOSFET non è sufficiente: nei sistemi ad alta corrente, ad esempio, vengono infatti usati più FET poiché, affiancati, forniscano un flusso maggiore di corrente. Il calore generato da un ESC è determinato dalla resistenza dei FET: così, ogni volta che viene raddoppiato il numero dei FET, la resistenza viene dimezzata. Un'altra soluzione efficiente  può essere quella di utilizzare FET migliori senza aumentarne la quantità: gli ESC di alto livello infatti utilizzano i migliori FET disponibili sul mercato.

CIRCUITO DI RILEVAMENTO DELLA POSIZIONE MOTORE
Ogni ESC deve sapere esattamente dove si trovi il magnete in ogni istante della sua rotazione, per poter valutare correttamente il momento di accensione e spegnimento dei FET: per la difficoltà di tale compito molti controller e motori brushless usano appunto un sensore esterno per analizzare la posizione del magnete.

Gli ESC senza sensore utilizzano invece un sistema diverso dal precedente, poiché il controllo usa solo due dei tre collegamenti per alimentare le spire, mentre il terzo è sconnesso: la variazione del campo magnetico causata dalla rotazione del magnete genera una corrente indotta in questo cavo in modo tale che la tensione risulti leggermente diversa dalla metà esatta fra i 2 contatti collegati. Interpretando poi questa differenza può essere stabilito il movimento del rotore per capire  quando attivare e disattivare i FET.

CIRCUITO DI PILOTAGGIO
Nel simbolo elettronico di un FET vi sono tre collegamenti: il collegamento singolo nella parte sinistra, chiamato GAIE, cioè il vero interruttore del FET. Per accendere il FET il GAIE deve essere alimentato con un voltaggio superiore di 5-10 volt rispetto a quello applicato al piedino inferiore (che si chiama SOURCE). I FET che si trovano nella parte bassa del circuito sono quindi facili da attivare, essendo loro sufficiente una tensione di 10v.
I FET che si trovano nella parte alta invece hanno il SOURCE collegato a +IN e devono essere pilotati con una tensione di 10v più alta di quella presente in +IN: quando il FET è acceso il DRAIN è collegato a +IN e, affinchè rimanga attivo, il GATE deve avere almeno 5v in più di +IN; per questo vengono utilizzati chip appositamente realizzati per pilotare i FET oppure vengono progettati appositi schemi elettrici.

IL MICROPROCESSORE E IL SUO FIRMWARE
Il microprocessore è il cervello dell'ESC ed utilizza, come un computer, un apposito software: ciò equivale a dire che gli sviluppatori del sistema realizzano un programma, lo compilano e lo caricano sui microprocessori. I compiti di un microprocessore sono tenere traccia della posizione del rotore, analizzare i comandi della ricevente, inviare i giusti segnali al circuito di pilotaggio dei FET, calcolare la potenza richiesta e accendere i LEO di indicazione.
L'analisi dei comandi provenienti dalla ricevente è un processo lineare: il segnale è un impulso digitale la cui lunghezza determina la potenza richiesta. Un impulso di 1 millisecondo significa acceleratore a O (o freno) mentre uno di 2 millisecondi rappresenta la manetta; ciò che è fra questi ultimi due rappresenta in proporzione una frazione della potenza massima.

Tutto ciò che allontana dalla conoscenza esatta circa la posizione del rotore può far sbagliare il tempo di scambio dei FET, al punto tale che usare metà gas può risultare più complicato che gestire il massimo: piuttosto che lasciare due FET attivi e fare in modo che la corrente spinga con forza il magnete, è quindi più corretto lasciarne solo uno acceso ed attivare/disattivare il secondo attraverso impulsi rapidissimi (la cui frequenza per numero di impulsi al secondo viene chiamata PWM), poiché a bassi regimi questo secondo FET è quasi del tutto inattivo, mentre al crescere proporzionale della velocità esso rimane sempre acceso.

Vi sono anche limiti costruttivi, che tuttavia non coinvolgono il processore,  che contraddistinguono i controller; alcuni di essi  sono predisposti per lavorare solo a 12V, mentre altri possono gestire batterie fino a 90V: si tratta di gestire i FET secondo la rotazione del motore.
Le differenze più importanti si riscontrano nei FET, che devono poter sopportare voltaggi maggiori, e nei relativi circuiti. In tali FET ogni elemento deve essere valutato per gestire un voltaggio superiore con  le relative conseguenze: ad esempio  le spurie elettriche che lavorando a 12V non creano problemi, con voltaggi maggiori potrebbero talmente alzarsi da attivare un FET che, altrimenti, rimarrebbe spento con relativo corto circuito.
Per  eseguire correttamente queste operazioni, garantendo sicurezza e validità, occorre una grande perizia di progettazione.
Quando i motori ruotano usano energia per creare il movimento ed agiscono anche come generatori elettrici: questo fenomeno viene denominato EMF; il risultato è una condizione in cui la potenza richiesta è superiore a quella generata: questa differenza cresce proporzionalmente insieme al carico che il motore deve muovere.
Lavorando ad un regime ridotto dell'acceleratore, l'ESC genera un numero di impulsi minore nell'unità di tempo, ma se il carico è  particolarmente elevato l'ESC deve comunque fornire grandi quantità di corrente; da qui  il problema di garantire grossi flussi di potenza in un tempo minore. A bassi regimi, inoltre, l'EMF si riduce e la differenza fra le due energie cresce notevolmente, mentre i  wattometri non si accorgono di tali picchi perché misurano soltanto le correnti medie.

BEC: CIRCUITI DI ELIMINAZIONE DELLA BATTERIA
Un  problema degli alti voltaggi è il BEC: con il diffondersi dei regolatori di velocità elettrici un semplice regolatore di tensione da 5V è stato inserito negli ESC, sostituendo le passate batterie della ricevente e dei servi. Il BEC lavora molto bene con i servi che non richiedono grosse correnti e tensioni, ma i BEC standard  convertono l'energia eccedente della batteria direttamente in calore, che, in alcuni casi, risultano talmente tanti da gestire che danno l'effetto di mandare in protezione il BEC, che di conseguenza si spegne.
Il passo successivo nell'evoluzione dei BEC  è lo switching, che lavora come regolatore di velocità, usando  un FET che attiva e disattiva il collegamento con la batteria in rapida successione e, attraverso un filtro, ottiene il voltaggio desiderato. In quest'ultimo caso l'energia in eccesso non viene trasformata in calore, cosicchè si può raggiungere anche il 90% di efficienza.

DIMENSIONARE IL REGOLATORE
E' consigliabile optare per  un regolatore dichiarato per una corrente maggiore di quella che ipotizzate per il regime massimo, nonostante non vi siano comunque problemi ad utilizzare ESC con capacità anche molto maggiori rispetto a quelle necessarie. Buona abitudine è effettuare un breve volo di test, controllando la temperatura, e poi volare più a lungo e controllare nuovamente per assicurarsi che le temperature siano sempre nei limiti ( la temperatura dell'ESC deve stare sotto ai 100 gradi ). Non sempre i calcoli sono giusti ed ogni modello è diverso rispetto ad un altro: la qualità dei componenti e la programmazione degli ESC è vitale per il buon funzionamento e  scegliere l'ESC giusto per una determinata applicazione è fondamentale per non far correre rischi inutili al vostro modello.