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详解多(duō)旋翼无人机零(líng)部件(jiàn)作(zuò)用

 

在多旋翼迅速发(fā)展的同时(shí),其相应的零(líng)部件供应日益多样。因为多旋翼的载重根据需求各不相同,所(suǒ)以对应的“最优”零部件组合包(bāo)括多旋翼构(gòu)型(四(sì)旋翼、六旋翼还是八旋翼)也各不相同(tóng)。

多(duō)旋翼(yì)的动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机、螺旋(xuán)桨(jiǎng)四(sì)个部分组成,各(gè)部分器件均具有一定的规格和相应的(de)性能,所以该四部分具(jù)有相应的最佳(jiā)匹配组合。工程经验上(shàng)的“高(gāo)KV值电机(jī)配小(xiǎo)桨,低KV值配(pèi)大桨”隐含的就是这个道理。对于螺旋桨,主要考虑其尺寸规格对其(qí)升阻性能的影响。对于电(diàn)机,主要考虑其不(bú)同型号KV值的不同对(duì)电机转速的影响,同时电机的性能是否优越(yuè)还要(yào)取(qǔ)决于其标称空载电流(liú)和空载电(diàn)压、以及电枢内阻。对于电调,主要考虑其最(zuì)大限制电流,其内阻对电池电压将起到一定(dìng)的(de)降压(yā)作用。对于电池,主要考虑其总容(róng)量大(dà)小影响多旋翼的续航(háng)时长及其(qí)最大放电倍率限(xiàn)制其放电最大电(diàn)流。

一、螺旋桨作用

螺旋桨(jiǎng)是直接产生推(tuī)力的(de)部(bù)件,同样是以追求(qiú)效率为第(dì)一目的(de)。匹配的电机、电调(diào)和螺旋桨搭配,可(kě)以在相同(tóng)的(de)推力下耗用更少的(de)电量,这(zhè)样就能延长多旋翼的续航时间。因(yīn)此,选择最优的螺旋桨(jiǎng)是提高续航(háng)时间的(de)一条捷径。螺旋(xuán)桨是有正反两(liǎng)种方(fāng)向的,因为电机驱(qū)动螺(luó)旋桨转动时,本身会产生一个反扭力,会导致机架反向旋转(zhuǎn)。而通过一个电机(jī)正向旋转、一(yī)个电机反向旋(xuán)转,可以(yǐ)互相抵(dǐ)消这种反扭力,相对应的螺旋(xuán)桨的方向也就相(xiàng)反(fǎn)了。

二、电机作用(yòng)

多旋翼的电机主要以(yǐ)无(wú)刷直流电机为(wéi)主,将电能转(zhuǎn)换成机械能。无刷(shuā)直流电机运转(zhuǎn)时靠电(diàn)子电路换向,这样就极大(dà)减少了电火花对遥控无线电设备的干扰,也减(jiǎn)小了噪音。它一头(tóu)固(gù)定在机架力(lì)臂的电机座,一头固定螺旋桨,通(tōng)过旋转产生(shēng)向(xiàng)下的推力。不同大小、负载的机架,需要配合不同规格(gé)、功率的电机(jī)。

三、电调作(zuò)用(yòng)

电调全称电子调(diào)速器,英文Electronic Speed Control,简称ESC。飞控板提供(gòng)的电流(liú)无(wú)法直(zhí)接驱动无刷电(diàn)机(jī),它需要通过电调最(zuì)终(zhōng)控制电机的转速。电调最基本的功能就是(shì)电机调(diào)速(通过飞(fēi)控板给(gěi)定电压进行调节),其次,还可(kě)以(yǐ)为(wéi)遥控接收(shōu)器上其它通道的舵机供(gòng)电。而无刷(shuā)电调多(duō)了一个重要(yào)功能,就是充(chōng)当换相器的角色,因为无刷电(diàn)机没(méi)有(yǒu)电刷(shuā)进行换相(直流电源转化为(wéi)三相电源供(gòng)给无刷电机,并对无(wú)刷电(diàn)机起调速作用),所以需要(yào)靠电(diàn)调进行电子换相。当然,电调还有一些(xiē)其它(tā)辅助功能(néng),如电(diàn)池保护(hù),启动保护、刹车等。电调的作用就(jiù)是将多旋翼(yì)飞行控制(zhì)单元的控制信号快速(sù)转变为电(diàn)枢电压(yā)大(dà)小和电流的大小(xiǎo),以控制(zhì)电(diàn)机的(de)转速。因为电机的(de)电流(liú)是很大的,如果没有电调的存在,单靠电池供电是无法(fǎ)给无刷直流电机供电的,同时飞控板又没有这么大的放电功率,所以电调对电(diàn)机而言是至关重要的驱动电路。电调的(de)另一个(gè)作(zuò)用是为机载其他电(diàn)子设(shè)备(bèi)提供稳压电(diàn)源。

电调都会标上多少A,如30A,50A。这是电(diàn)调最(zuì)大允许通过(guò)电流大小,超过该电流(liú)值电调会被损坏。同(tóng)时(shí),电调具有相应内阻,其发热(rè)功率需要得(dé)到(dào)注(zhù)意。有些电调电流可以达到几十安培,发热功率是电(diàn)流的平方(fāng)的函数,所(suǒ)以电调的散(sàn)热性能也(yě)十分重要(yào),因此大规格电调内阻一般(bān)都比较小。

四、电池作(zuò)用

电池主要用于提供能量(liàng)。目前航模最(zuì)大的问题(tí)在于(yú)续(xù)航时间不(bú)够,其关键就在于电池容(róng)量的大(dà)小(xiǎo)。现在可用来做模型动(dòng)力的(de)电池种类(lèi)很多,常见的有(yǒu)锂电池和(hé)镍(niè)氢(qīng)电池,主要源于其(qí)优(yōu)良的性(xìng)能和便宜的价格优势。然(rán)而,对于多旋翼无人机(jī)而言,电池单(dān)位(wèi)重量的(de)能量载荷(hé)很大程度上限(xiàn)制了其飞行时间和任务拓展(zhǎn)。

电池的基(jī)本特征(zhēng)主(zhǔ)要有电压、放(fàng)电容量、内(nèi)阻大小、放电倍率。航模专用锂聚合(hé)物电(diàn)池单节(jiē)标(biāo)称电压一般为3.7V,充满电可到4.2V,一般为保证总(zǒng)够电池容(róng)量及电压,可将三节(jiē)电池串联(lián)使用。在实际(jì)过程中,在电(diàn)池的放电过程中,电池容量逐(zhú)渐减小,并且研究(jiū)表明在某些(xiē)区域,电池(chí)剩(shèng)余容量与电池电流基本呈线性(xìng)下降关系(xì)。而(ér)在电池放电后期,电池容(róng)量随(suí)电流的(de)变化可能是急剧下降,所以一般会设置航模电(diàn)池安(ān)全电(diàn)压,3.4V或者其他,视(shì)具体(tǐ)情况而定,确保(bǎo)无人机在电池耗完前有足够的电量(liàng)返航。另外,不仅在(zài)放电过程(chéng)中电压会下降,而且由于电池本身(shēn)具有内阻,其放电电流越大(dà),自身由于内阻导致的压降(jiàng)就越大,所以输出的电(diàn)压就越小。特别注意,在电池(chí)使用过程中(zhōng),不能使电池电量完全(quán)放完(wán),不然会(huì)对电池造成电量无(wú)法恢复的损伤(shāng)。

锂电池组包含两部分:电池(chí)和(hé)锂电池保护线路。在电池组中是(shì)把多个电(diàn)池串联(lián)起来,得到所需要(yào)的工作电压(yā)。如果所需(xū)要的是更高(gāo)的容量(liàng)和(hé)更大的电流,那就应该把电池并联起来。

多旋翼的动力系统是多旋(xuán)翼(yì)能量(liàng)的来源,直接(jiē)关系到飞行器的悬停(tíng)时(shí)间、最大负(fù)载重(chóng)量和飞行距离等重要的指(zhǐ)标。本(běn)章从(cóng)能量的角度,分析多旋翼的这(zhè)些性能。总(zǒng)体来(lái)说,我们希望避免能量的损失,得到最高的系(xì)统效率(lǜ),电调、电机和电池(chí)内(nèi)部电阻越小越好。为了提高飞行器的悬停时(shí)间、最大负载重(chóng)量(liàng)和飞行距离,电池容量(liàng)越大越好。然而容量越大,重量也(yě)就越大(dà)。重(chóng)量越大(dà),反过来也(yě)会减(jiǎn)少悬停时间、最大(dà)负载(zǎi)重量(liàng)和飞行距离(lí)。有时(shí)候,设计的多旋翼根本(běn)飞(fēi)不(bú)起来(lái),或者飞起来的时(shí)间很短。

图示:昆明(míng)劲(jìn)鹰多旋翼无人机

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