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详解多旋翼无人机零部件作用

 

在多旋翼(yì)迅速发展的同时,其相应的零(líng)部件供应日益(yì)多(duō)样(yàng)。因为多旋翼的载(zǎi)重根据需求各不相同,所以(yǐ)对应的(de)“最优(yōu)”零部件组合包括多旋(xuán)翼构型(四旋翼、六(liù)旋翼还(hái)是八旋翼)也各不相同(tóng)。

多旋(xuán)翼(yì)的(de)动力系(xì)统由航模(mó)电(diàn)池、电子调速(sù)器(qì)、直(zhí)流无刷电机、螺旋桨四个部(bù)分组成,各(gè)部分(fèn)器件均具有一定的规格和相应的性能,所以该四部分具有相应的最佳(jiā)匹配组合。工程经(jīng)验上的(de)“高KV值电(diàn)机配小桨,低KV值配大桨”隐含的就是这个道理。对(duì)于(yú)螺旋桨(jiǎng),主要考虑其尺寸规(guī)格(gé)对(duì)其升阻性能(néng)的(de)影响。对(duì)于电机(jī),主要考虑其不(bú)同(tóng)型号KV值的不同对电机转(zhuǎn)速的影响,同时电机的性(xìng)能是否优越还要取决于(yú)其标称空载电流和空载电压、以及电(diàn)枢内阻。对于电调,主(zhǔ)要(yào)考虑其最(zuì)大限制电(diàn)流,其内阻(zǔ)对电池电(diàn)压(yā)将起到一定(dìng)的降压作用(yòng)。对于电池,主要考虑(lǜ)其总容(róng)量大小(xiǎo)影响多旋翼的续(xù)航时(shí)长及其最大(dà)放电倍率限制其放电最大电流。

一、螺旋(xuán)桨(jiǎng)作用

螺旋桨是(shì)直接产(chǎn)生推力的部(bù)件,同样是以追求效率(lǜ)为第一目的。匹配的电机、电调和螺旋桨搭配,可以在(zài)相同的推力下耗用更少的电量(liàng),这样就能(néng)延长多旋翼的续航时间。因(yīn)此,选择最优的螺(luó)旋(xuán)桨是(shì)提高续航(háng)时间的(de)一条捷径(jìng)。螺(luó)旋桨是有正(zhèng)反两种方向的,因为电(diàn)机驱(qū)动(dòng)螺旋桨转动时(shí),本(běn)身会产生一个反扭力(lì),会导致机架反向(xiàng)旋转。而通过一个(gè)电机正(zhèng)向旋转、一个电(diàn)机反向(xiàng)旋转,可以互相(xiàng)抵消这种反扭力,相(xiàng)对(duì)应的螺旋桨的方向也就相反了。

二、电机作用

多(duō)旋(xuán)翼的电机主要以无刷直流电机为主,将(jiāng)电能转换成机械能(néng)。无刷直流电机运(yùn)转时(shí)靠电子电(diàn)路换(huàn)向,这(zhè)样就(jiù)极大减少了电火花对遥(yáo)控无线电设备的干(gàn)扰,也减小了噪音。它(tā)一头固定在机(jī)架力臂的电机座,一头(tóu)固定螺旋桨(jiǎng),通过(guò)旋(xuán)转产生(shēng)向下(xià)的推力。不同(tóng)大小、负载的机架,需(xū)要配合不同规格、功率(lǜ)的电机(jī)。

三(sān)、电调(diào)作(zuò)用

电调全称电子(zǐ)调速器(qì),英(yīng)文Electronic Speed Control,简称ESC。飞控(kòng)板提供(gòng)的电流无法直接(jiē)驱动无刷电机,它(tā)需要通过电调最终控制电机的转速。电(diàn)调最基(jī)本的功能就是电机(jī)调速(通过飞控板给定电压进行调节),其次,还(hái)可以为遥控接收器(qì)上其它通道的舵机供电(diàn)。而(ér)无(wú)刷电调多(duō)了一(yī)个(gè)重要功能(néng),就是充当换相器的角色,因为(wéi)无刷电机没有电刷进(jìn)行(háng)换相(直流电(diàn)源(yuán)转化为三相电源供给无刷电(diàn)机,并对(duì)无刷电机起调速(sù)作用),所以(yǐ)需要靠电调进行电子换相。当(dāng)然,电调还有一(yī)些其它辅助(zhù)功能,如电池保护,启动保护、刹(shā)车等。电调的作用就是(shì)将多旋翼飞行控(kòng)制单(dān)元的控(kòng)制信(xìn)号(hào)快速(sù)转变为电(diàn)枢(shū)电压大小和电(diàn)流的大小(xiǎo),以控制(zhì)电机(jī)的转速(sù)。因(yīn)为(wéi)电机的电流是很大的(de),如果没有电(diàn)调的存在,单(dān)靠电池(chí)供电是无(wú)法给(gěi)无刷直流电机供(gòng)电的,同时飞(fēi)控板又没(méi)有这(zhè)么大的放电功(gōng)率,所以电调(diào)对电(diàn)机而言是至关重要的驱(qū)动电(diàn)路。电调的另一个作用(yòng)是为(wéi)机载其他电子设备(bèi)提供(gòng)稳压电源。

电调都会标(biāo)上多少A,如30A,50A。这(zhè)是电调(diào)最大允(yǔn)许通过电流大小,超过该电(diàn)流值电调会被(bèi)损(sǔn)坏。同时,电调具有相应内阻,其发热功(gōng)率需要得到注意。有些电调电流可(kě)以达到几十安(ān)培(péi),发热(rè)功率是电流的平方(fāng)的函数,所以电调的散热性能也十(shí)分(fèn)重要,因此大规格电调内阻一(yī)般都比较小(xiǎo)。

四、电池作用

电池主要用于提(tí)供能量。目前航模最大的问题在于续航时间不够,其关键就在于电池(chí)容量的大小。现在可用(yòng)来做模型动力(lì)的(de)电池种类很多,常见的有锂电池和镍氢电(diàn)池,主要源于其优良的(de)性能和便宜的价格优势(shì)。然而,对(duì)于多旋翼无人机而言,电池单位重量(liàng)的能量载荷很(hěn)大程度上限(xiàn)制(zhì)了其飞(fēi)行时间(jiān)和任(rèn)务拓展。

电池的基本特征主要有电压(yā)、放电容量、内阻大(dà)小、放电倍(bèi)率(lǜ)。航模专(zhuān)用锂聚合物电池单节标称电(diàn)压一般为3.7V,充满电可到4.2V,一(yī)般为保证总(zǒng)够电池容量及电压,可将三节电池(chí)串联使用。在实际过程中,在电池的放电过程中,电池容量逐渐减小,并且(qiě)研究表明在(zài)某些区域,电池剩余(yú)容量与(yǔ)电池电流基本呈(chéng)线性下降(jiàng)关(guān)系。而在(zài)电池放电后(hòu)期,电池容量(liàng)随电(diàn)流的变化可能是急剧下降,所(suǒ)以一般会设置航模电池安全(quán)电压,3.4V或者其他,视具(jù)体(tǐ)情况而定,确保无人机在电池耗完前(qián)有(yǒu)足够的(de)电量返航(háng)。另外,不仅在放(fàng)电过程中电压(yā)会(huì)下降(jiàng),而且由于电池本身具有内阻,其(qí)放电电流越大,自身由于(yú)内(nèi)阻导致的压降(jiàng)就越大,所以(yǐ)输出(chū)的电压就(jiù)越(yuè)小。特别注意,在(zài)电(diàn)池使用过程中,不能使电池电量完全放完,不然会对电池造成电(diàn)量无法(fǎ)恢(huī)复的损伤。

锂电池组包含两部分:电池和(hé)锂电池保护线路。在电池组中是把(bǎ)多个(gè)电池(chí)串联起来,得(dé)到所需要的(de)工作电压。如果所需要的是更高(gāo)的容量和更大的电流(liú),那就(jiù)应该(gāi)把(bǎ)电池并联起来(lái)。

多旋翼的动力系统(tǒng)是多旋翼能量的来源,直接关系到飞行器的悬(xuán)停时间、最大负载重量(liàng)和飞行距离等重要的指标。本章从(cóng)能量的角度,分析多(duō)旋翼的这些性能。总体来说,我(wǒ)们希望避免能量的损失,得到最高的系统效率,电调、电机和电池内部电阻越小越好。为了提高飞行器的悬停时间(jiān)、最大负载重量和飞行距离,电池容量越大越好。然而容量越(yuè)大,重量也(yě)就越大。重(chóng)量越大,反过(guò)来也会(huì)减少悬(xuán)停时间、最大负载重(chóng)量和飞行距离。有时候(hòu),设(shè)计的多旋(xuán)翼(yì)根本飞不起来,或者飞起来的时间(jiān)很短。

图示:昆明(míng)劲鹰多旋翼(yì)无人机

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