在多旋翼迅速发展的同时,其相应的零部件供应日益多样。因为多旋翼的载重根据需求各不相同,所以对应的“最优”零部件组合包括多旋翼构型(四旋翼、六旋翼还是八旋翼)也各不相同。
多旋翼的动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机、螺旋桨四个部分组成,各部分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匹配组合。工程经验上的“高KV值电机配小桨,低KV值配大桨”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升阻性能的影响。对于电机,主要考虑其不同型号KV值的不同对电机转速的影响,同时电机的性能是否优越还要取决于其标称空载电流和空载电压、以及电枢内阻。对于电调,主要考虑其最大限制电流,其内阻对电池电压将起到一定的降压作用。对于电池,主要考虑其总容量大小影响多旋翼的续航时长及其最大放电倍率限制其放电最大电流。
一、螺旋桨作用
螺旋桨是直接产生推力的部件,同样是以追求效率为第一目的。匹配的电机、电调和螺旋桨搭配,可以在相同的推力下耗用更少的电量,这样就能延长多旋翼的续航时间。因此,选择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷径。螺旋桨是有正反两种方向的,因为电机驱动螺旋桨转动时,本身会产生一个反扭力,会导致机架反向旋转。而通过一个电机正向旋转、一个电机反向旋转,可以互相抵消这种反扭力,相对应的螺旋桨的方向也就相反了。
二、电机作用
多旋翼的电机主要以无刷直流电机为主,将电能转换成机械能。无刷直流电机运转时靠电子电路换向,这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰,也减小了噪音。它一头固定在机架力臂的电机座,一头固定螺旋桨,通过旋转产生向下的推力。不同大小、负载的机架,需要配合不同规格、功率的电机。
三、电调作用
电调全称电子调速器,英文Electronic Speed Control,简称ESC。飞控板提供的电流无法直接驱动无刷电机,它需要通过电调最终控制电机的转速。电调最基本的功能就是电机调速(通过飞控板给定电压进行调节),其次,还可以为遥控接收器上其它通道的舵机供电。而无刷电调多了一个重要功能,就是充当换相器的角色,因为无刷电机没有电刷进行换相(直流电源转化为三相电源供给无刷电机,并对无刷电机起调速作用),所以需要靠电调进行电子换相。当然,电调还有一些其它辅助功能,如电池保护,启动保护、刹车等。电调的作用就是将多旋翼飞行控制单元的控制信号快速转变为电枢电压大小和电流的大小,以控制电机的转速。因为电机的电流是很大的,如果没有电调的存在,单靠电池供电是无法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,所以电调对电机而言是至关重要的驱动电路。电调的另一个作用是为机载其他电子设备提供稳压电源。
电调都会标上多少A,如30A,50A。这是电调最大允许通过电流大小,超过该电流值电调会被损坏。同时,电调具有相应内阻,其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培,发热功率是电流的平方的函数,所以电调的散热性能也十分重要,因此大规格电调内阻一般都比较小。
四、电池作用
电池主要用于提供能量。目前航模最大的问题在于续航时间不够,其关键就在于电池容量的大小。现在可用来做模型动力的电池种类很多,常见的有锂电池和镍氢电池,主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。然而,对于多旋翼无人机而言,电池单位重量的能量载荷很大程度上限制了其飞行时间和任务拓展。
电池的基本特征主要有电压、放电容量、内阻大小、放电倍率。航模专用锂聚合物电池单节标称电压一般为3.7V,充满电可到4.2V,一般为保证总够电池容量及电压,可将三节电池串联使用。在实际过程中,在电池的放电过程中,电池容量逐渐减小,并且研究表明在某些区域,电池剩余容量与电池电流基本呈线性下降关系。而在电池放电后期,电池容量随电流的变化可能是急剧下降,所以一般会设置航模电池安全电压,3.4V或者其他,视具体情况而定,确保无人机在电池耗完前有足够的电量返航。另外,不仅在放电过程中电压会下降,而且由于电池本身具有内阻,其放电电流越大,自身由于内阻导致的压降就越大,所以输出的电压就越小。特别注意,在电池使用过程中,不能使电池电量完全放完,不然会对电池造成电量无法恢复的损伤。
锂电池组包含两部分:电池和锂电池保护线路。在电池组中是把多个电池串联起来,得到所需要的工作电压。如果所需要的是更高的容量和更大的电流,那就应该把电池并联起来。
多旋翼的动力系统是多旋翼能量的来源,直接关系到飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等重要的指标。本章从能量的角度,分析多旋翼的这些性能。总体来说,我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、最大负载重量和飞行距离,电池容量越大越好。然而容量越大,重量也就越大。重量越大,反过来也会减少悬停时间、最大负载重量和飞行距离。有时候,设计的多旋翼根本飞不起来,或者飞起来的时间很短。
图示:昆明劲鹰多旋翼无人机
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