在(zài)多旋翼迅速(sù)发展的同时,其相应的零部件供应日益多样。因(yīn)为多(duō)旋(xuán)翼的载重(chóng)根(gēn)据需(xū)求各(gè)不相同(tóng),所以对应(yīng)的“最优(yōu)”零部件组合包括多(duō)旋翼构型(四旋翼(yì)、六旋翼还是八旋(xuán)翼(yì))也(yě)各不相同(tóng)。
多旋翼的(de)动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机(jī)、螺旋桨(jiǎng)四个部分组(zǔ)成,各部分器件均具有一定的规格和(hé)相应的性能,所以该四部分具有(yǒu)相应的最佳匹配组合。工程经验上的“高KV值电机配(pèi)小(xiǎo)桨,低KV值配大桨”隐含的就是这个(gè)道(dào)理(lǐ)。对(duì)于螺旋(xuán)桨(jiǎng),主(zhǔ)要考虑其尺寸规格对(duì)其(qí)升(shēng)阻性能的(de)影响。对于(yú)电机,主(zhǔ)要(yào)考虑其不同型号KV值的不(bú)同(tóng)对电机转速的影(yǐng)响,同时电机的性能是(shì)否优越还(hái)要取(qǔ)决于其标称(chēng)空载电流和空载电压、以及电(diàn)枢内阻(zǔ)。对(duì)于电(diàn)调,主(zhǔ)要考虑其最大限制电流,其内阻对电(diàn)池电压将起(qǐ)到一定的(de)降压作用。对于电(diàn)池,主要考虑(lǜ)其(qí)总容量(liàng)大小影响多旋翼的(de)续(xù)航时长及其最大放电倍率限(xiàn)制(zhì)其放(fàng)电最(zuì)大电(diàn)流。
一、螺(luó)旋(xuán)桨作用
螺(luó)旋(xuán)桨(jiǎng)是(shì)直接产(chǎn)生推力的(de)部件,同(tóng)样是以追求效(xiào)率(lǜ)为第一目的。匹配的电机、电(diàn)调和(hé)螺(luó)旋桨搭(dā)配,可(kě)以在相同的推力下(xià)耗用更(gèng)少的电量,这样就(jiù)能延长(zhǎng)多旋翼的续航时间。因此(cǐ),选择最优的螺旋桨是提高续航时间的(de)一条捷径。螺旋桨是有(yǒu)正反两种方向的,因为电机驱动螺旋桨转动时,本身会(huì)产生一个反(fǎn)扭力(lì),会导致机架反向旋转。而通过一个电机(jī)正(zhèng)向旋转、一个电(diàn)机反向旋转,可以互相抵消这种反扭力,相对应的螺(luó)旋桨(jiǎng)的(de)方向也就相反了。
二、电(diàn)机作用(yòng)
多旋(xuán)翼的电机主要以无(wú)刷直流(liú)电机为主,将电能转换成(chéng)机械能。无刷直(zhí)流(liú)电机运转(zhuǎn)时靠电子(zǐ)电路换向,这样就极大减少了电火花对遥控无线电(diàn)设备的干扰,也减(jiǎn)小了噪(zào)音。它一头固定(dìng)在机架力臂的(de)电机(jī)座,一头固定(dìng)螺旋桨,通过(guò)旋转(zhuǎn)产生向下的推力。不同大小、负载的机架,需要(yào)配合不同规格、功率的(de)电机。
三、电调作用
电调全称(chēng)电子调(diào)速器(qì),英文(wén)Electronic Speed Control,简称(chēng)ESC。飞控板提(tí)供的电流无法直接驱(qū)动无刷(shuā)电机,它需要通过电调最终(zhōng)控制电机(jī)的(de)转(zhuǎn)速。电调最基本的(de)功能(néng)就是(shì)电机调(diào)速(sù)(通(tōng)过飞控板给定电压(yā)进行调节),其(qí)次,还可以为(wéi)遥控(kòng)接收器上其(qí)它通道的舵机供电。而无刷电调(diào)多了一个(gè)重要功能,就(jiù)是充当换相(xiàng)器(qì)的角色,因为无刷(shuā)电机没有电(diàn)刷进(jìn)行换相(xiàng)(直流(liú)电源转化为三相电源供给无(wú)刷电机,并对无刷电(diàn)机起调速作(zuò)用),所以需要(yào)靠电调进(jìn)行电子换(huàn)相。当然,电调(diào)还有(yǒu)一些(xiē)其它辅(fǔ)助功能,如(rú)电池保护,启动保护、刹车等。电调(diào)的作用就(jiù)是将多旋翼(yì)飞行控(kòng)制单元的控制信号快(kuài)速转变为电枢电压大小和(hé)电流的大小(xiǎo),以控(kòng)制电机的转速。因为电机的电(diàn)流是很大的,如果没(méi)有电调的(de)存在,单靠(kào)电池(chí)供(gòng)电是无法(fǎ)给无刷直流电机供电的,同(tóng)时飞控板又没(méi)有这么大(dà)的放电功率,所以电调对电(diàn)机而言是至关重要(yào)的驱动电路。电调(diào)的另一(yī)个作用是为机载其他(tā)电子设备提供稳压电源。
电调都会标上多少A,如30A,50A。这是电(diàn)调最大允(yǔn)许通过电流大小,超过该电流值电调会(huì)被损坏。同时,电调(diào)具有相应内阻,其发热功率需要得(dé)到注意。有些电(diàn)调(diào)电流可以(yǐ)达到几十安(ān)培,发热(rè)功率(lǜ)是电流(liú)的平方的函数,所以电调的散热性能也十分重要(yào),因此大规格电调内阻一(yī)般都比较小(xiǎo)。
四、电池作用(yòng)
电池主要用于提供能量。目前航(háng)模(mó)最(zuì)大的问(wèn)题在于(yú)续航时间(jiān)不够,其(qí)关键就在于(yú)电池容量的(de)大(dà)小。现在可用来(lái)做(zuò)模型动力的电池种类(lèi)很(hěn)多,常见的有锂电池和镍氢电(diàn)池,主(zhǔ)要源于其优良的性能和(hé)便宜的价格优(yōu)势。然(rán)而,对(duì)于多旋(xuán)翼(yì)无(wú)人机而言,电池单位重量的能(néng)量载(zǎi)荷(hé)很大程度上限制了(le)其飞(fēi)行时间(jiān)和(hé)任务拓展。
电池的基本特征主要有电压、放电容量、内阻大小、放电倍率(lǜ)。航模专用锂聚合物电池(chí)单(dān)节标称电压一般为3.7V,充满(mǎn)电可到4.2V,一(yī)般为保证(zhèng)总够电(diàn)池容量及(jí)电压,可将三节电池(chí)串联使(shǐ)用。在实(shí)际(jì)过程中,在电池的放电(diàn)过程中,电池容量逐渐减小,并且研究表明(míng)在某些区域,电池(chí)剩(shèng)余容量与电池电流基(jī)本呈线性下降关系。而在电(diàn)池放电后期,电池容量随电流的变化可能是(shì)急(jí)剧下降,所以一般会设(shè)置航模(mó)电池(chí)安全电压,3.4V或者(zhě)其(qí)他,视具(jù)体(tǐ)情况而(ér)定,确保无(wú)人机(jī)在电池(chí)耗完前有足够的(de)电(diàn)量返航。另外,不仅(jǐn)在放电过程中电压(yā)会下降(jiàng),而且由于电池本身具有内阻,其(qí)放电电流越大,自(zì)身(shēn)由于内阻导致的压(yā)降就(jiù)越(yuè)大,所以输出的电压就越小。特别注(zhù)意(yì),在电池使用过程中(zhōng),不能(néng)使电(diàn)池电量完(wán)全放完,不(bú)然(rán)会对电池造成电量无法恢(huī)复的损(sǔn)伤。
锂电池(chí)组包含两(liǎng)部(bù)分:电池和锂电池保护线路。在电(diàn)池组(zǔ)中是(shì)把多个电池串联起来(lái),得到所需要的(de)工作电(diàn)压。如果所需要的(de)是(shì)更高的容量和更大的电流,那就(jiù)应(yīng)该把电池并联起来。
多旋翼(yì)的动力(lì)系统是(shì)多旋翼能量的来源(yuán),直接(jiē)关系到飞(fēi)行器的(de)悬(xuán)停时间(jiān)、最大负载重量和(hé)飞行距离等重要的指标。本(běn)章从能(néng)量的(de)角度(dù),分析多(duō)旋(xuán)翼的这些性能。总体来说,我们希(xī)望避免能量的损失,得(dé)到最高的系统(tǒng)效(xiào)率,电调、电机和电(diàn)池内部电阻(zǔ)越小越好。为(wéi)了提高(gāo)飞行(háng)器的悬停时间、最大负载重量(liàng)和飞行距(jù)离,电池容量(liàng)越大越好。然而容量(liàng)越(yuè)大,重量也(yě)就越(yuè)大(dà)。重量(liàng)越大,反过来也(yě)会减少悬(xuán)停时间、最大(dà)负载重量和飞行距离。有时候,设计的(de)多旋翼根本飞不起来,或者飞(fēi)起来的时间很短。
图示:昆明劲(jìn)鹰多旋翼无人机

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