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Guide: ESC Firmware Überblick für FPV & Drohnen

Publiziert von Nils Waldmann

am

Wer heute eine FPV-Drohne selbstbauen möchte, steht vor einer riesigen Auswahl an unterschiedlichen ESC Firmwares. Wir versuchen in diesem Artikel einen Überblick zu schaffen und gehen auf die zeitliche Entwicklung und wichtige Begriffe ein.

Der ESC (Electronic Speed Controller) ist das Herzstück jedes Drohnenantriebs. Der ESC sorgt dafür, dass die Gleichspannung aus dem Akku in Wechselspannung für die Brushless-Motoren gewandelt wird und regelt gleichzeitig die Geschwindigkeit der Motoren.

Es leuchtet damit sofort ein, dass die Funktionsweise eines ESCs direkte Auswirkungen auf die Flugstabilität und das Flugverhalten einer Drohne hat. Über die vergangenen Jahre gab es in diesem Bereich viele Evolutionen, auf die wir im Folgenden eingehen wollen.

Wichtige ESC-Begriffe im Überblick

Bevor wir loslegen, hier einige wichtige Begriffe in Glossarform, damit ihr nicht den Überblick verliert.

ESC (Electronic Speed Controller): Steuert die Motoren auf Basis von Signalen an, die von Flight Controller kommen.

FC (Flight Controller): Zentrale Recheneinheit mit Sensoren, die die Fluglage und Flugfunktionen einer Drohne steuert.

ESC-Protokoll: Art und Weise, wie der Flight Controller seine Befehle an den ESCs sendet.

PWM (Pulse-Weiten-Modulation): Ein analoges Signal, welches im Modellbau schon sehr lange zur Ansteuerung von ESCs verwendet wird.

DShot: Ein digitales, serielles Signal, welches die Kommunikation zwischen ESC und FC digital abhandelt und deutlich schneller ist, als beispielsweise PWM.

ESC-Telemetrie: Bereitstellen von Messwerten des ESCs an den Flight Controller (Rückkanal).

Bidirektionale Telemetrie: Befehls- und Telemetriedaten werden über dasselbe Protkolle / denselben Bus übertragen („ein Kabel für alles“).

RPM-Filtering: Eine Technologie bei der die Drehzahlinformationen des ESCs in Echtzeit vom Flight Controller ausgewertet werden, um diese in einem Softwarefilter zu verwenden. Damit wird dann die PID-Regelung des Flight Controllers optimiert, was für ein besseres Flugverhalten sorgt.

Telemetriedaten: Zu den übertragenen Daten gehören bei den meisten ESCs die aktuelle Spannung (V), der aufgenommene Strom (A), die derzeitige Drehzahl des Motors (RPM) und häufig auch die Temperatur (°C).

Welche ESC-Firmware-Projekte gibt es?

Die folgende Liste ist in etwa zeitlich geordnet und spiegelt somit zumindest ein Stück weit die Entwicklung der unterschiedlichen ESC-Features wider, die nach und nach in das Leben von Drohnenpiloten und FPV-Fans Einzug gehalten haben.

SimonK Firmware (2011)

In den Anfängen der Multicopter-Bewegung wurde im Laufe 2021 eine ESC-Firmware mit der Bezeichnung SimonK veröffentlicht, die viel verändern sollte.

Zuvor waren herkömmliche ESCs aus dem Flugmodellbau zum Einsatz gekommen, die in der Regel jedoch ein großes Problem hatten: Die Regelfrequenz, mit welcher die Drehzahl der Motoren angepasst wurde, war teilweise zu langsam, was einen sauberen Flug erschwerte.

ESC Close Up
Etwas Löten gehörte zu SimonK-Zeiten mit dazu.

Die SimonK ESC Firmware setzte genau hier an und verbesserte Ansteuerung des ESCs enormen, was für ein viel bessere Ansprechverhalten der Motoren sorgte. Das Besondere zu dieser Zeit war, dass sich die Firmware auf viele bereits verfügbare ESC-Modelle flashen ließ (hier lest ihr unsere Anleitungen dazu: Kompilieren und Flashen).

Es dauerte darauf hin nicht lange und die Hersteller begannen, SimonK als Standard-Firmware auf ihren ESCs zu verwenden, die erstmals speziell für Drohnenanwendungen auf den Markt kamen.

BLHeli Firmware (2013)

BLHeli wurde in seiner Urversion im Jahr 2013 veröffentlicht und erblickte damit zur „Hochzeit“ von SimonK-ESCs das Licht der Welt. BLHeli ist ein Open-Source-Projekt, das den Grundstein für eine ganze Reihe weiterer ESC-Firmwares legen sollte, die bis heute aktuell sind.

Die Idee hinter BLHeli war einfach: Mehr Features und eine bessere und vor allem einfacherer Konfiguration der ESCs als bei SimonK.

BLHeliSuite - Flashen bestätigen
Die BLHeli Suite war ein Meilenstein bei der einfachen Verwaltung der ESC-Funktionen.

Dazu wurde unter anderem die BLHeli Suite entwickelt, ein Konfigurator-Tool, das die Konfiguration eines oder mehrerer ESCs über eine Oberfläche ermöglichte, ohne im Quellcode der Firmware herumspielen zu müssen.

BLHeli ist außerdem die erste Firmware gewesen, die Active Breaking einführte, was unter FPV-Piloten für mehr Kontrolle im Flug schnell beliebt wurde.

Flyduino KISS ESC Firmware (2014)

Das deutsche Unternehmen Flyduino kam dann im Jahr 2014 mit seiner neuen KISS-Produktreihe auf den Markt, die sich an das bekannte KISS-Prinzip (Keep it simple and stupid) anlehnt.

Im Gegensatz zu BLHeli ist die KISS-Firmware Closed Source und wurde zunächst offiziell nur auf KISS-ESCs ausgeführt. Sogar für ein Update der Firmware wurde online die Seriennummer der ESCs auf „Echtheit“ geprüft. Auch für KISS gibt es einen entsprechenden Konfigurator / Updater.

KISS ESC Flashvorgang
KISS-ESCs lassen sich direkt über die KISS FC flashen.

KISS machte zwei Sachen entscheidend anders: Es war im Bestfall als geschlossenes System zusammen mit der zugehörigen KISS FC gedacht und war somit perfekt aufeinander abgestimmt. Es bot zudem erstmals die Möglichkeit, Telemetriedaten (Spannung, Strom, Temperatur und Drehzahl) über eine serielle Verbindung an den Flight Controller zu übertragen. Für die Ansteuerung (FC zu ESC) wurde jedoch weiterhin ein PWM-Signal verwendet.

BLHeli_S Firmware (2016)

BLHeli_S ist die erste Weiterentwicklungsstufe von BLHeli. Der Fokus von BLHeli_S (manchmal auch als „Simple BLHeli“ bezeichnet) lag klar auf noch mehr Performance.

Dazu wurde der Code weiter optimiert und es folgte die Einführung von DShot als digitales Protokoll zur Kommunikation zwischen Flight Controller und ESC. Bis zu diesem Zeitpunkt nutzten eigentlich alle anderen Firmware-Projekte ein analoges PWM-Signal zur Ansteuerung der ESCs.

BLHeli_S traf damit genau die Anforderungen der immer weiter wachsenden FPV-Szene und fand innerhalb kürzester Zeit sehr viel Resonanz und Verbreitung. Die Firmware ist auf einfachen ESCs mit 8-Bit-CPU noch heute eine beliebte Wahl.

BLHeli_32 Firmware (2017/2018)

Mit dem Release von BLHeli_32 kam es zur nächsten Evolution, dieses Mal jedoch auch auf Hardwareseite. Basierten die meisten ESCs bis zu diesem Zeitpunkt auf relativ einfachen 8-Bit-Mikrocontrollern, wurde mit BLHeli_32 das 32-Bit-Zeitalter ausgerufen.

Die Konsequenz daraus war: Viel mehr verfügbare Rechenleistung. Jedoch folgte daraus auch eine Anpassung des vorherigen Codes auf die neue Architektur.

Für Piloten ergaben sich damit erneut Vorteile in Bezug auf die Regelgeschwindigkeit und die Reaktion der Antriebe. Ebenfalls neue: BLHeli_32 unterstützte erstmals bidirektionales DShot, sodass ab sofort auch ein Rückkanal vom ESCs zum Flight Controller zur Verfügung stand. Die Baudraten (Übertragungsgeschwindigkeit) wurden mit DShot1200 und DShot2400 weiter angehoben.

Damit war die Kommunikation zwischen ESC und FC in beide Richtungen komplett digitalisiert. Das heißt, BLHeli_32 stellte nun erstmals auch Telemetrieinformationen über ein einheitliches Protokoll bereit.

Nachteil von BLHeli_32 sind die höheren Hardwarekosten sowie Lizenzen für die Verwendung einiger Funktionen.

JESC Firmware (2019)

Nachdem RPM-Filtering im 32-Bit-Bereich schnell zu einer beliebten Funktion wurde, waren ältere ESCs auf BLHeli_S-Basis zunächst außen vor.

Mit der Veröffentlichung von JESC wurde der Kern von BLHeli_S als Grundlage genommen und entsprechend erweitert. Damit stehen Funktionen wie RPM-Filtering durch entsprechende Telemetrie auch für BLHeli_S-kompatible ESCs zur Verfügung.

Außerdem nahm JESC die Ansteuerung der Motoren via PWM ins Visier und ergänzte die bisherige PWM-Frequenz von 24 kHz um schnellere Optionen mit 48 kHz sowie 96 kHz. Durch die höhere Frequenz lassen sich vor allem kleine Motoren deutlich effizienter ansteuern, sodass die Entwickler von bis zu 30 % mehr Flugzeit pro Akku sprechen.

JESC ist ebenfalls Open Source. Für bestimmte ESCs gibt es jedoch eine Lizenzgebühr, um diese ESC Firmware nutzen zu können.

BLHeli_M Firmware (2020)

Damit noch nicht genug kam im Jahr 2020 mit BLHeli_M ein weiterer Ableger auf Basis von BLHeli_S auf. Diese Firmware wird nach ihrem Entwickler „JazzMaverick“ auch als JazzM bezeichnet.

Es ist festzuhalten, dass JazzM / BLHeli_M gegenüber den anderen Varianten deutlich weniger verbreitet ist. Die ESC Firmware hat aber definitiv auch ihre Zielgruppe gefunden, da sie als erste RPM-Filtering ohne kostenpflichtige Lizenz für BLHeli_S-kompatible ESCs gebracht hat.

Den Aktivitäten auf GitHub zufolge ist das Projekt mittlerweile eingeschlafen.

AM32 Firmware (2020)

Während vorhergehende ESC Firmwares sich auch nach dem Release der 32-Bit-Version von BLHeli weiterhin auf BLHeli_S fokussierten, kam mit AM32 eine erste Alternative im 32-Bit-Segment auf den Markt.

AM32 wurde von dem Entwickler AlkaMotors ins Leben gerufen, sodass dieser Namen manchmal synonym für die ESC Firmware verwendet wird.

AM32 ist auf ESCs mit STM32-CPU ausgerichtet und integriert ebenfalls Telemetriefunktionen via KISS-Protokoll. Über den in BetaFlight integrierten Passthrough-Modus erlaubt AM32 das direkte Flashen von ESCs, die mit einer BetaFlight-FC verbunden sind.

Als ESC-Protokolle kommen PWM oder DShot (300 / 600) zum Einsatz.

Bluejay ESC Firmware (2022)

Weiteren Wind für BLHeli_S-ESCs kam 2022 mit der neuen Firmware Bluejay auf. Dieses Projekt nahm den Quellcode von BLHeli_S ebenfalls als Basis her und optimierte den Code.

Auch Bluejay unterstützt als neuster BLHeli_S-Ableger DShot (bis zu 600) und erlaubt ebenfalls die Konfiguration schnellerer PWM-Frequenzen bis 96 KHz auf Motorseite (wie JSEC).

Ebenfalls bringt Bluejay natürlich Unterstützung für bidirektionale Telemetrie und somit natürlich auch für RPM-Filtering mit.

Überblick: ESC-Protokolle – Welches ist das schnellste?

Die längste Zeit wurden ESCs über ein PWM-Signal angesteuert, so wie man es im RC-Modellbau von Servos kannte. Mit der Einführung digitaler Alternativen, wie DShot änderte sich das.

DShot wurde dabei so entwickelt, dass eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit nicht zeitgleich zu einer höheren CPU-Last führt. Kommt jedoch Telemetrie hinzu, benötigt die Verarbeitung dieser Informationen natürlich zusätzliche Ressourcen.

Das schnellste Protokoll ist derzeit DShot2400 mit einem Paket-Update-Intervall von gerade einmal 6,7 µs bzw. einer Frequenz von 150 kHz. Im Vergleich dazu ist analoges PWM mit 1000-2000 µs Paket-Update-Intervall und gerade einmal 0,5 kHz Update-Frequenz beinahe quälend langsam.

Welche ESC-Protokolle unterstützt BetaFlight?

Betaflight ist die wohl am weitesten verbreitete Firmware für Flight Controller im FPV-Bereich (schon unseren BetaFlight CLI Guide gesehen?).

Die Software unterstützt neben PWM, auch OneShot (ebenfalls analog) sowie MultiShot und natürlich DShot. Welcher DShot-Modus dabei verwendet werden kann, hängt vor allem maßgeblich von der Hardware des Flight Controllers und des ESCs ab.

Schlusswort

Wir hoffen, euch hat dieser Überblick zu den gängigsten ESC Firmware am Markt geholfen, einen Überblick zu gewinnen, um die richtige Wahl für euren nächsten Build zu treffen.

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Quelle: JESC, BLHeli_M, BLHeli_S, AM32, Bluejay, Betaflight Wiki

Häufig gestellte Fragen zu ESC Firmwares (FAQ)

Was ist die beste ESC Firmware?

Das kommt drauf an. Für 32-Bit-ESC sind BLHeli_32 und AM32 beliebt. Für 8-Bit-ESCs sind BLHeli_S und seine Ableger häufig verwendete Firmwares.

Was ist ein ESC-Protokoll?

Das ESC-Protokoll legt fest, wie der Flight Controller mit dem ESC kommuniziert. Hier gibt es analoge Protokolle (z.B. PWM) und digitale Protokolle (z.B. DShot).

Kann jeder ESC Telemetriedaten übertragen?

Dieses funktioniert nur, wenn auch die Hardware des ESCs die entsprechenden Daten erfassen kann. Nur dann kann eine telemetriefähige ESC Firmware diese auch ausgeben.

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Nils Waldmann

Hi, ich bin Nils! Ich bin leidenschaftlicher Modellbauer, Hobby-Fotograf, Akku-Liebhaber und RC-Pilot. Ich berichte hier über die neusten Entwicklungen in der Drohnen-Branche und kümmere mich um detaillierte Anleitungen, Guides und Testberichte.

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