На что влияет подбор винтомоторной группы
Винтомоторная группа. Практические советы и расчеты
В глобальной сети, на различных тематических форумах, часто просят посоветовать мотор на конкретный самолет. Но всегда спрашивать не будешь, придется разобраться самому, да и стоит ли доверять ответившему тебе «гуру»?
Так с чего же начать свои поиски мотора? Сначала, надо задать себе лишь один вопрос: какие мне нужно получить характеристики от самолета, буду ли я отрабатывать на этой модели элементы 3D, или мне нужно уверенное выполнение только классического пилотажа?
Итак, решение принято, а что теперь?
Существует метод расчета (основанный на рекомендациях различных фирм-производителей модельной техники), в котором автор этой статьи не усомнился ни разу, и до сих пор пользуется им:
— мотор для модели, предназначенной для выполнения классического пилотажа, подбирается из расчета 300Ватт на килограмм веса (рекомендованный полетный вес, как правило, указывается производителем в описании модели)
— мотор для 3D-акробата подбирается из расчета 400-450Ватт на килограмм полетного веса.
«Да гранаты у него не той системы»
Белое солнце пустыни.
Важный момент: не будет лишним проверить указанную производителем мощность двигателя. Бывает так, что некоторые фирмы указывают максимальную мощность, при условии использования аккумуляторов с более высоким напряжением.
Производителем дано описание мотора:
Максимально допустимый ток: 50А
Максимальная мощность двигателя: 740Ватт
Итак, максимальная мощность 740Ватт. А если вы планируете использовать аккумулятор 3S? Вот давайте и посчитаем: 11.1V(напряжение аккумулятора)х50А(максимальный ток мотора)=550 Ватт. Теперь становится понятно, что в описании производителем указана мощность двигателя, с учетом использования четырехбаночного аккумулятора: 14.8Vх50A=740 Ватт.
— Шурик, твой аппарат тебя погубит.
«Иван Васильевич меняет профессию»
Пропеллер- это просто!
Основные параметры воздушного винта, которые мы учитываем при подборе мотоустановки – это его диаметр и шаг. Эти параметры зависят в основном от размера самолета, его типа и назначения.
Для копийной модели винт (винты) должны быть соразмерны общему масштабу модели, и иметь требуемое количество лопастей. Для спортивных и тренировочных самолетов – размеры выбираются исходя из необходимых тяговых характеристик, скорости потока от винта и площади обдува этим потоком рулевых плоскостей. Т.к. основную массу некопийных любительских самолетов можно по типу мотоустановки отнести к пилотажным (исключая модели для боя и мотопланеры), стоит подробнее остановиться на этом типе и специфике подбора размеров винта для них.
Размах крыла- Диаметр воздушного винта (в дюймах)
Для простоты можно воспользоваться и этой нехитрой табличкой – для начала она вполне сгодиться. Следует так же учитывать, что как правило, более скоростные модели, полукопии и тренеры используют винты диаметром поменьше, а фан-флаи и самолеты с развитыми 3D способностями – винты большего диаметра. Так же, часто возникают подвижки в +/- 1-2 дюймадля конкретной модели. Но в целом (как пример статистики), табличка выглядит вполне реально.
Если описывать упрощенно, то диаметр винта в большей степени определяет статическую тягу мотоустановки (грубо говоря, сколько может «поднять» такой винт, будучи направленным вверх), и площадь обдува рулевых плоскостей, как правило элеронов (хвостовое оперение почти всегда находиться в потоке от винта, и обдувается на 100%).
Несложно догадаться, что от статической тяги сильно зависит поведение самолета на вертикальных маневрах, когда подъемная сила крыла попросту отсутствует.
Третий «параметр» винта, оказывающий сильное влияние на его свойства – это его тип.
К сожалению, многие начинающие моделисты не принимают его во внимание, и основываясь только на размерах и шаге винта, часто не получают желаемого результата, а иногда и вовсе теряют мотор или сжигают контроллер, перегружая их.
Самые распространенные винты производит фирма АРС. Их подразделение по типам винтов можно назвать сложившимся стандартом де-факто. Из тех типов, которые для нас представляют интерес можно назвать:
Тип «SF» (slowflyer)— очень легкие винты с увеличенной тяговой характеристикой, для легких моделей. Рассчитаны на низкие обороты (до 6 тыс.). Диапазон размеров от 8х3,8 до 13х4,7. Часто используются «внештатно» вместо Е-серии на моделях вплоть до1,5 кг для получения очень большой тяговооруженности (правда ценой некоторых потерь), на свой страх и риск. Имеют легкую небольшую ступицу и невысокая (по сравнению с Е-серией) прочность.
Тип «Р» (pusher) – т.н. «толкающий винт». Винт обратного вращения. Стоит заметить что на электроустановках понятие «толкающий» не особенно актуально, потому что мотор может вращаться в обоих направлениях. Ориентирован больше на ДВС.
Есть еще специализированные типы С, W и пр., но в данной статье мы их рассматривать не будем из за их специфических применений.
— Да как ты их мог перепутать, они же разного цвета!
— Ну и что, что ты дальтоник, ты красное от зеленого отличить не можешь, что ли?!
Регуляторы скорости: главное не перепутать.
Реально, у контроллера (так же именуемого как «регулятор скорости», хода», «speed controller») есть только два критических параметра,
которые непосредственно связаны с работой мотоустановки – это максимально допустимый рабочий ток, и диапазон рабочих напряжений.
Кроме этих двух основных параметров, контроллеры различаются по наличию различных сервисных возможностей, и конструктивных особенностей. Как правило, все контроллеры имеют возможность программирования таких функций, как выбор скорость раскрутки вала («мягкую», «стандартную» и «быструю»), различные уровни напряжения автоотключения двигателя (чтобы не допустить полную разрядку аккумулятора и потерю питания для приемника и бортовых систем), включения/отключения режима тормоза (для прекращения вращения воздушного винта от набегающего потока при выключенном моторе). Часто присутствует функция программной смены направления вращения вала, звуковая сигнализация разных режимов работы, настройка таймингов, друге различные сервисные возможности. Основная масса контроллеров может программироваться с помощью пульта управления, некоторые требуют для этого специальных программаторов, или компьютера с использованием специального USB-кабеля. Следует обратить внимание на эти особенности, чтобы не оказаться в поле с самолетом, который невозможно будет настроить без специального оборудования. В целом, наличие большого количества сервисных функций удобно, но оно не является строго обязательным. Тут можно ориентироваться на собственный комфорт и толщину кошелька.
Большинство низковольтные контроллеров имеют в себе встроенную схему ВЕС (система бортового питания), однако следует знать, что его использование допускается при питании не более чем 2-3 элементами LiPo, и с нагрузкой, не превышающей 3-4 маломощных сервомашинки (формата «микро» и «субмикро»). Большая часть отказов управления на небольших самолетах связана с кратковременными сбоями в работе встроенной системы ВЕС работающей с перегрузкой, обычно принимаемой за «помехи» или неисправность аппаратуры управления. Даже использование 4 сервомеханизмов «16-граммового» типа (HS-81) на встроенной ВЕС недорогого контроллера довольно часто приводит к отказу питания через уже 3-4 минуты работы мотора при активном рулении.
Собственно, на этом краткий экскурс по контроллерам можно завершить. Итоговый вывод прост – для стабильной работы мотора нам важно иметь небольшой запас по току, и не превышать верхнюю границу допустимого напряжения питания контроллера. Все остальное – вопрос личных предпочтений, и пожеланий к сервисной функциональности системы. Так же, стоит быть внимательным при выбора питания борта через встроенный ВЕС.
Арфы нет, возьмите бубен.
«В бой идут одни «старики»».
Какой аккумулятор выбрать?
В современных условиях разумнее всего использовать силовые батареи на основе литиевых элементов. По токоотдаче и удобству эксплуатации на больше всего подходят аккумуляторы с химией LiPo (литий-полимерные) и LiFe (литий-нанофосфатные).
Лидеры по токоотдаче – аккумуляторы с химией LiFe, их практическая токоотдача составляет более 50С. Неизбежной расплатой за высокую токоотдачу является высокий вес и стоимость таких батарей. Чем выше токоотдача, тем выше «удельный» вес и стоимость сборки. Например, аккумуляторы 3S (3 элемента) 2100мА c токоотдачей 16С весят150 грамм, а такие же сборки, но с токоотдачей в 35С – уже около220 грамм. По цене – различия примерно в тех же порядках. Разница существенная. Давайте теперь посмотрим, насколько важна высокая токоотдача для мотоустановки самолета.
Не секрет, что помимо хорошей энерговооруженности, мотоустановка должна обеспечивать еще и некоторую продолжительность ее работы.
Обычно, необходимое время работы (на 1 полет) поставляет порядка 6-10 минут. Меньше 6 минут – это мало, больше 10 минут – особенно нет смысла, потому что уже хочется передохнуть и проанализировать полет. Если посмотреть на расчеты в мотокалке, то мы увидим, что при правильно подобранной мотоустановке и в смешанном режиме полета аккумулятор разряжается до минимально допустимого значения за 8-10 минут при токах, равных 10-12 емкостям такого аккумулятора. На силовых маневрах токи могут достигать 15-25С кратковременно.
Что бы подвести некоторый итог – приведу очередную табличку наиболее популярных решений:
Вес самолета, Емкость сборки/необходимая токоотдача (кол-во элементов)
130-200г, 300-500мА /20-25С (2 банки)
200-300г, 500-800мА /20-25С (2-3 банки)
400-600г, 900-1300мА/16-20С (3 банки)
600-1300г, 1500-2200мА/16-25С (3 банки)
1300-1700г, 2500-3000мА/25-30С (3 банки), 16-20С (4 банки)
2000-2700г, 3300-3700мА/16-20С (5-6 банок)
2500-3000г, 3700-4200мА/16-20С (6 банок)
3500-5000г, 3300-4000мА/16-20С (8-10 банок)
Опять же, это всего лишь типичные примеры, которые не стоит рассматривать как однозначное и безальтернативное решение.
Экспериментировать можно и нужно. А эта таблица всегда послужит нам хорошей стартовой платформой.
Теперь, когда наша мотоустановка укомплектована, пора переходить к практическим испытаниям.
Основано на материалах, опубликованных на форуме RC-design
Сайт про изобретения своими руками
МозгоЧины
Сайт про изобретения своими руками
Личный квадрокоптер — Часть 5. Заключение
Личный квадрокоптер — Часть 5. Заключение
Полезные советы по выбору винтомоторной группы.
Вы даже не представляете, (если не посещали авиамодельный кружок), сколько математических и аэродинамических расчетов необходимо провести конструкторам при проектировании винтомоторного группы летательного аппарата.
К моему и вашему счастью, знание это, к государственным секретам вовсе не относится (по крайней мере при строительстве МАЛЕНЬКИХ квадрокоптеров), и многие энтузиасты дуют щеки распространяют свой опыт через Интернет и печатные издания.
В качестве раздела пособия по созданию собственного квадрокоптера (см. тут (ч.1), и тут (ч.2), и даже тут (ч.3) и тут (ч.4), автор решил поделится с новичками информацией о том, как выбрать товар в магазине элементы винтомоторной группы для квадрокоптера. Впрочем, по его уверениям, данный скилл также будет полезен создателям подобных типов летательных аппаратов с иным числом несущих винтов.
Выбор двигателя
При выборе двигателя, всегда полезно в первую очередь изучить его характеристики, которые написаны на этикете предоставляются продавцом и производителем. Автор рекомендует перед покупкой обязательно изучать все характеристики понравившегося вам товара. В качестве примера, он приводит ссылку на сайт Hobbyking.com, а точнее, на предлагаемый на нем для продажи бесщеточный двигатель для моделей.
Давайте рассмотрим приведенные характеристики:
Максимальный ток потребления – 5.5 Ампер
Сопротивление – 0 mH
Максимальное напряжение – 7 Вольт
Мощность (в Ваттах) – 210 Ватт (Это не ошибка! Указано на сайте продавца!)
Диаметр вала – 2 мм
Общая длина – 30 мм
Kv – рейтинг: 2000 об./мин при номинальном напряжении
Вес: 10 граммов (c учетом крепления и проводов)
Рекомендованная модель пропеллера: 7х5
Рекомендованное напряжения источника питания: 7.4. Вольт
Потребление без нагрузки: 0.4 Ампера
Тяга: 130 Грамм при 5000 об./мин
Скорость вращения без нагрузки: 15000 об./мин. при 7.4 Вольт
Пиковое потребление: 5.5 Ампер
Диаметр двигателя: 18 мм
Длина: 30 мм (с учетом длины вала и размеров крепления)
При выборе двигателя, вы в первую очередь должны определится с полетным весом вашего квадрокоптера, а также тягой, необходимой ему для отрыва от земли.
Главное условие – тяга должна быть вдвое большей, чем максимальные полетный вес конструкции.
Недостаточная тяга двигателей приведет к плохой управляемости либо памятнику квадрокоптеру неспособности аппарата взлететь. В то же время, слишком большая тяга приведет к излишне резкой реакции квадрокоптера на приборы управления и летной нестабильности.
Необходимую тягу можно прикинуть по следующей формуле: Необходимая тяга = (Полная масса конструкции* 2)/4.
Приведем пример. Если ваш квадрокоптер имеет полетную массу (или взлетную – при использовании ДВС или постройке бомбардировщика) около 1 килограмма, то произведя калькуляции по приведенному выше соотношению, мы получим необходимую тягу в 2 килограмма. Это значит, что каждый двигатель должен иметь тягу около 500 граммов. Конечно, при расчете должен учитываться полный вес конструкции, в частности, массы двигателей и пропеллеров. Если же вы мечтаете о аэрофотосъемке или видеосъемке, не забудьте прибавить массу камеры и ее источников питания.
Несмотря на то, что выбор полетного веса зависит от вас, лучше все же сделать его минимальным. Максимальное снижение полетного веса является одним из важнейших принципов авиастроение, так как любая дополнительная масса снижает маневренность, полетное время и полезную нагрузку.
Особенности выбора несущих винтов
Как вы помните, квадрокоптер держится в воздухе при помощи двух пар несущих винтов, которые вращаются в противоположных направлениях. Основными характеристиками несущих винтов являются шаг и диаметр, увеличение которых приводит к повышенному потреблению энергии двигателями квадрокоптера.
Кроме того, шаг определяет дистанцию, которая преодолевается за время одного оборота винта. Кратко говоря, больший шаг винта предполагает меньшую скорость его вращения, но увеличивает скорость летательного аппарата что, увы, повышает расход энергии.
Зависимость проходимой дистанции от шага винта
Соотношение диаметра и шага винта должно быть сбалансированным. Меньший шаг винтов приведет к созданию большего крутящего момента и снижению потребляемой двигателями мощности. Если вы планируете использовать ваш квадрокоптер для аэробатики, вам просто необходимы пропеллеры с большим крутящим моментом. Они которые обеспечат большую скорость и меньшую нагрузку на источник энергии. Кроме того, пропеллеры с меньшим шагом увеличивают стабильность полета.
Пропеллер с большим шагом перемещает больший объем воздуха, что может вызвать турбулентность и привести к вибрации. Если это происходит, просто выберите несущие винты с меньшим шагом.
Что касается диаметра несущего винта, то его эффективность напрямую связана с площадью контакта с воздухом. Таким образом, даже небольшое увеличение диаметра пропеллера приводит к увеличению его эффективности. В качестве примера можно привести большую скорость плаванья пловцов с крупными кистями и ступнями, которые, однако, затрачивают при этом больше сил.
Вращение пропеллера с меньшим диаметром легче ускорить или остановить (сказывается инерция). Пропеллер с меньшим диаметром также предполагает меньшее потребление энергии двигателями. Именно из-за этого, при построении шести- или восьмикоптеров в основном используются несущие винты с пропеллерами, меньшими по диаметру чем в квадрокоптерах сравнимых размеров.
Для крупных квадрокоптеров с большой грузоподъемностью рекомендовано использовать большие по диаметру несущие винты и двигателя с повышенным крутящим моментом для улучшения стабильности полета.
Мотор и пропеллер: муки выбора
Автор предлагает идти двумя путями:
В конце — концов, созданы и выложены в Интернет превосходные программы для расчета полетных характеристик и деталей квадрокоптеров. Именно они могут поставить последний штрих в получении максимально возможных полетных характеристик.
Заключение
Помните! Сбалансированная винтомоторная группа не только повышает летные характеристики вашего квадрокоптера и увеличивает полетное время, но и доставляет удовольствие пилоту.
UPD: Пример полета квадрокоптера на видео, снятом sTs:
Решать делать самостоятельно из покупных запчастей или же купить готовый квадрокоптер — решать вам! Удачи!
Аэродинамика. Винтомоторная группа.¶
Винтомоторная группа (ВМГ) – установка, создающая тягу, под воздействием, которой винтовой ЛА движется в требуемом направлении (или стремится двигаться, например, зависает, когда сила, создаваемая ВМГ компенсируется силой тяжести).
В ВМГ входят двигатель, воздушный винт, узлы (например, механизмы управления коллективным шагом лопастей воздушного винта), системы и агрегаты, необходимые для обеспечения надёжной и эффективной работы. Также в ВМГ может входить контроллер мотора, определяющий его характеристики.
Аэродинамика¶
Одним из фундаментальных законов аэродинамики является закон Д. Бернулли. Данный закон был сформулирован для жидкостей, но он справедлив и для газов.
Закон Бернулли гласит, что в тех участках течения жидкости, где скорость больше давление меньше и наоборот.
Сам по себе закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии в потоке идеальной жидкости или газе и выведен как следствие уравнения Эйлера:
V – скорость потока
При переходе жидкости с участка трубы с большим сечением на участок с меньшим, скорость течения возрастает, т.е. жидкость движется с ускорением. Тот же самый принцип справедлив и для газа.
Аэродинамические характеристики крыла¶
Крыло в авиационной технике — несущая поверхность, имеющая в сечении по направлению потока профилированную форму и предназначенная для создания аэродинамической подъёмной силы.
В полете крыло подвергается влиянию многих сил, обусловленных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). Сила тяжести остается постоянной и включает в себя вес аппарата и силу притяжения. Подъёмная сила противодействует силе тяжести и варьируется в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперёд. Силе тяги винта противодействует сила сопротивления воздуха (лобовое сопротивление).
При прямом и горизонтальном полёте силы взаимно уравновешивают друг друга (рисунок 2). При любом изменении любой из сил характер полёта изменяется, что приводит к изменению курса направление ЛА. Например, если изменяется подъёмная сила, результатом будет подъём крыла вверх. Уменьшение подъёмной силы и увеличении силы тяжести приводят к потере высоты и снижению летательного аппарата. Крыло будет изменять свою траекторию полёта в сторону преобладающей силы, если равновесие сил не соблюдается.
Подъёмная сила.¶
Описанное уравнением Бернулли явление позволяет объяснить возникновение аэродинамических сил, а главное подъемной силы крыла.
Рассмотрим природу возникновения подъёмной силы. Опыты в лабораториях позволили установить, что при набегании на тело воздушного потока частицы воздуха обтекают тело. Если поместить крыло в аэродинамическую трубу в подкрашенном потоке воздуха, то можно заметить картину обтекания тела воздухом. Полученная картина называется спектром обтекания. На Рисунок 3 представлена упрощенная схема обтекания плоской пластинки, поставленной под углом 90° к направлению потока.
На схеме видно, что при таком расположении тела никакой подъёмной силы не возникает. Воздух впереди пластинки создаёт подпор, плотность струек повышается, а сзади пластинки воздух оказывается разреженным. Повышение давления воздуха впереди пластинки и разрежение позади нее приводят к тому, что струйки воздуха с силой устремляются в разреженное пространство, закручиваются и образуют сзади пластинки те завихрения, которые видны на представленном спектре.
Поставим пластинку под острым углом к потоку. На рисунке 4 можно видеть схематичное изображение спектра обтекания данной пластинки.
Под пластинкой давление повышается, а над ней, вследствие срыва струй, получается разрежение воздуха, т. е. давление понижается. Благодаря образующейся разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, т.е. назад и вверх. Отклонения аэродинамической силы от вертикали зависит от угла, под которым пластинка поставлена к потоку. Этот угол получил название угла атаки.
Подъёмная сила крыла возникает не только за счёт угла атаки, но также благодаря несимметричному профилю поперечного сечения крыла, который чаще всего имеет более выпуклую верхней часть (рисунок 5).
Развивая подъемную силу, крыло всегда испытывает и лобовое сопротивление. Сила лобового сопротивления *X* направлена по потоку прямо против движения и, значит, тормозит его. Подъемная сила всегда перпендикулярна набегающему потоку. Из рисунка видно, что сила лобового сопротивления *X* **и подъемная сила** *Y* являются составляющими силы *R* по направлению скорости *v* и перпендикулярно ей. Сила R называется полной аэродинамической силой крыла. Точку приложения полной аэродинамической силы называют центром давления крыла (ЦД).
Подъемная сила летательного аппарата, уравновешивая его вес, дает возможность осуществлять полет, лобовое же сопротивление тормозит его движение. Отсюда ясно, что крылу надо придать такую форму, чтобы оно развивало как можно большее значение подъемной силы и, в то же время давало малое лобовое сопротивление.
Число, показывающее, во сколько раз подъемная сила больше лобового сопротивления, называется аэродинамическим качеством.
Аэродинамические характеристики пропеллера¶
Лопасти воздушного винта имеют аэродинамический профиль, и при его вращении в воздушной среде возникает похожая картина, как и при движении крыла.
В данном случае перетекание происходит как на внешнем, так и на внутреннем краях лопасти. А так как подъемная сила возникает вследствие разности давлений на верхней и нижней поверхностях лопасти, то любое выравнивание этих давлений вызывает потери подъемной силы (Рисунок 7).
Длина окружности, описываемой элементом «Б», больше чем окружность, описываемая элементом «А». Поэтому, скорость элемента «Б» относительно воздуха, будет больше чем элемента «А». Иными словами, скорость элемента лопасти относительно воздуха зависит от того, на каком расстоянии он расположен от оси вращения. Чем это расстояние больше, тем большую скорость имеет элемент. На оси вращения скорость будет равна нулю, а на конце лопасти она будет максимальной (Рисунок 8).
Винтомоторная группа¶
Двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).
Квадрокоптеры используют два вида двигателей коллекторные и бесколлекторные.
Коллекторные моторы¶
Коллекторный двигатель состоит из следующих элементов (Рисунок 9):
Якорь. Металлический вал, являющийся стержнем всей конструкции. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.
Ротор. Связан с ведущим валом. Внешняя конструкция вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.
Подшипники. Расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.
Щётки. Типичным материалом для изготовления щёток является графит. Задача щёток предавать напряжение через коллектор в обмотки.
Коллектор (коммутатор). Выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию со щёток и направляет её в обмотки.
Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Предназначены для генерации собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.
Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора или постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.
Принцип работы.
Электрический ток, поступая на обмотки якоря создаёт в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, с другой стороны северный. Электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие сам якорь, вращая его. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так, последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой. Вал электродвигателя совместно с якорем вращается, до тех пор, пока к нему подаётся напряжение. (Рисунок 10)
В стандартные коллекторные моторы входит якорь с тремя и более обмотками. Сделано так для того, чтобы в момент раскручивания двигатель не остановился в одном положении.
Бесколлекторные двигатели¶
Бесколлекторный двигатель состоит из следующих элементов (Рисунок 11):
Для вращения бесколлекторного двигателя на обмотки синхронно подаётся напряжение. Синхронизация обеспечивается за счёт использования внешних датчиков, например, датчиков Холла или на основе противоЭДС, возникающая в двигатели при его вращении (бездатчиковый метод).
Пропеллеры¶
Воздушный винт (пропеллер) — лопастной агрегат, работающий в воздушной среде, приводимый во вращение двигателем и являющийся движителем, преобразующим мощность (крутящий момент) двигателя в действующую движущую силу тяги.
Пропеллер состоит из ступицы и лопастей. Количество лопастей может быть от 2 до 8,и более. Изделие создается из высокопрочного материала. Скорость вращения воздушного пропеллера может составлять 1200 оборотов в минуту, поэтому для создания применяются максимально прочные материалы.
Среди основных технических характеристик винта выделяют (Рисунок 12):
Пропеллерная константа (Prop Const). Константа величины потерь на воздушном сопротивлении при вращении пропеллера: чем тоньше материал, из которого сделан пропеллер, тем меньше эта константа, и тем меньше развиваемая на моторе мощность для раскрутки такого пропеллера. Данный параметр оказывает влияние на подъёмную силу и на мощность мотора, требуемую для раскрутки пропеллера;
Количество лопастей. Данный параметр влияет на подъёмную силу и стабильность полёта. Чем больше лопастей, тем эти параметры лучше.
Тяга воздушных винтов варьируется за счет изменения оборотов двигателя или шага винта. Изменение шага позволяет изменять тягу, не меняя оборотов двигателя. Стоит отметить, что увеличение оборотов, и как следствие, ускорение вращения пропеллера, считается наиболее быстрым способом увеличить тягу.
Виды лопастей (Рисунок 13):
Для электродвигателей есть два направления вращения. CW – вращение вала по часовой стрелке, CCW – вращение вала против часовой стрелки. Направления нужно или чередовать, так как каждый пропеллер создаёт реакционную силу, которая стремится развернуть то, к чему он прикреплён, в направлении вращения, или размещать соосно на одном луче, тогда реакционная сила одного компенсирует оную, у второго (Рисунок 14).
Есть два типа обозначений: LLPP x B или L x P x B.
Например, 5045 × 3 – длинна 5 дюймов, шаг 4.5 дюйма, 3 лопасти.
Например, 5 × 45 х 3 – длинна 5 дюймов, шаг 4.5 дюйма, 3 лопасти.
Обозначение направления вращения и профиля лопасти
Иногда в конце присутствует буква R или C. Она определяет направление вращения пропеллера:
Также в конце может присутствовать обозначение профиля лопасти:
Регуляторы оборотов¶
ESC значит Electronic Speed Controller — регулятор хода или скорости. ESC нужны для регулировки скорости вращения моторов. Регулятор получает сигнал, (уровень газа) от полетного контроллера, и управляет бесколлекторным мотором, меняя его скорость вращения за счет управления мощностью.
Регулятор скорости состоит из следующих компонентов (Рисунок 16):
Важный параметр при выборе регулятора это максимальный ток, он измеряется в амперах. Моторы потребляют энергию при вращении, если им нужен ток больше, чем может выдать регулятор, то регулятор перегреется и сломается. Есть три момента, которые влияют на потребляемый ток и могут перегрузить регуляторы:
Существует два значения максимального тока: максимальный продолжительный ток и пиковый ток.
Максимальный продолжительный ток (Continuous current) — это ток через мотор, который может выдавать регулятор скорости продолжительное время без вреда для себя. Регуляторы обычно способны выдерживать гораздо больший ток, в течение короткого времени (порядка 10 секунд), это и есть пиковый максимальный ток (burst current rating).
Моторы определяют потребляемый ток, поэтому рейтинг регуляторов должен быть такой же, как у моторов (или выше), но использовать очень мощные и большие регуляторы нет никакого смысла, например, если вы замените 20А регулятор 40-амперным, то квадрокоптер будет хуже летать из-за увеличившегося веса.
При помощи стенда для измерения тяги и ваттметра можно самостоятельно выяснить потребляемый ток. Некоторые производители моторов указывают потребляемый ток в описании к моторам.
Например, если вы используете FPVModel 2206 (англ.), с винтом 5030 и аккумулятором 4S Lipo, то он будет потреблять 10 А при 100% газе, в этом случае регулятора на 12 А будет достаточно, но если вы планируете использовать винты 6045 с этим же мотором, максимальный ток может достигать 20 А, в этом случае безопаснее использовать регулятор на 20А.
Можно использовать регуляторы с запасом, т.е если моторы рассчитаны на регуляторы в 20А, то можно использовать регулятор на 30А или 40А. Однако минус такого варианта в увеличении веса и стоимости квадрокоптера.
Большинство аккумуляторов 4S емкостью около 1500 мА*ч дают ток не больше 80 ампер. Например, у вас винтомоторная группа, которая может потреблять до 120 ампер, соответственно она будет потреблять такой ток, но обычно не более пары секунд. Из-за того, что аккумулятор не сможет выдать такой ток, его напряжение очень сильно просядет и ток станет значительно меньше.
Важно отслеживать совместимость регулятора и напряжения, подаваемого на него. Если подать на регулятор слишком большое напряжение, то он просто сгорит, возможно вместе с моторами.
Прошивка¶
Две самые старые прошивки для регуляторов мультикоптеров — SimonK и BLHeli. Эти прошивки стали стандартными для большинства регуляторов и в настоящее время почти все регуляторы идут с уже предустановленными BLHeli или SimonK. Большинство пользователей выбирает BLHeli, потому что эта прошивка имеет очень простой интерфейс и богатый функционал.
Это второе поколение прошивки BLHeli, специально разработанное для регуляторов с аппаратным ШИМ (PWM). Имеет более простой интерфейс. Подходит для некоторых регуляторов типа: Aikon SEFM 30A, DYS XS и т.д.
Прошивка BLHeli_32 — это третье и самое свежее поколение BLHeli. Прошивка разработана специально для 32-битных микроконтроллеров, исходный код закрыт. Более мощные процессоры дают более плавное, точное и надежное управление моторами.
Процессор¶
Большинство современных регуляторов используют микроконтроллеры фирм Atmel, Silabs или ARM Cortex. Разные микроконтроллеры имеют различную производительность и работают под управлением разных прошивок.
Восьмибитные регуляторы на ATMEL раньше были очень популярны, потом благодаря большей производительности, популярность начали набирать микроконтроллеры от Silabs. В 2016 году появились регуляторы на 32-битных микроконтроллерах.
Протоколы используемые в регуляторах скорости определяют скорость передачи сигнала от полетного контроллера к самому регулятору, а это может оказать заметное влияние на поведение квадрокоптера. Оригинальный (самый старый) протокол — PWM или ШИМ, имеет задержку до 2 мс, а один из самых быстрых — Multishot — 5-25 мкс.
Список протоколов, используемых в регуляторах коптеров (от старых к новым):
Активное торможение и аппаратный ШИМ
Данные параметры оказывают отдельное влияние на поведение квадрокоптера:
Как правило размер и вес регуляторов пропорционален максимально допустимому току.
Маленькие регуляторы, разработанные для мини-квадрокоптеров, имеют достаточно стандартные размеры и вес около 4-6 грамм. Сложнее сделать регуляторы ещё меньше и легче, без ухудшения характеристик. Однако минус таких регуляторов, что они быстрее нагреваются и их остаточно сложно охладить.