Общее устройство FPV дрона. Часть 2

Винтомоторная группа (ВМГ)

ВМГ - группа состоящая из воздушного винта и двигателя, обеспечивающая определённую подъемную силу.

Бесколлекторные (бесщёточные) двигатели — это современная альтернатива коллекторным двигателям, в которых используется электронная коммутация вместо механической.

Особенности конструкции бесколлекторных двигателей:

Отсутствие щёток и коллектора. Магниты располагаются с внутренней стороны колокола, строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг вала, при одетом колоколе на статор.
Для управления бесколлекторным двигателем обязательно требуется электроника — контроллер. С его помощью можно формировать трёхфазную систему напряжений, необходимую для работы.

Мотор состоит из 4-х компонентов:

Статор – это обмотка двигателя, состоящая из 3 фаз длинных тонких проводков, которые обматываются вокруг сердечника. Провода покрыты эмалью/лаком, чтобы предотвратить короткое замыкание при работе. Ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле. Когда провод обмотан вокруг чего-то, то магнитное поле увеличивается. Чем больше ток, тем больше сила магнитного поля и больше крутящий момент от вашего двигателя. Однако, большие токи сильно нагревают обмотку, особенно тонкие провода и защитная эмаль может оплавиться при сильном нагреве, тогда происходит короткое замыкание и двигатель становится нерабочим.
Неодимовые магниты – магниты из редкоземельных металлов, служат для генерации фиксированного магнитного поля. Они приклеены эпоксидной смолой или цианокрилатом к корпусу мотора (колоколу).
Вал – компонент в верхней части мотора, который передает крутящий момент на пропеллеры.
«Колокол» – корпус мотора, предназначенный для защиты его компонентов. К нему с внутренней стороны и приклеены магниты. продвинутые двигатели имеют корпусы, которые сделаны как вентиляторы, т.е. при вращении нагоняют воздух на обмотку сердечника, чтобы охлаждать ее.

Расшифровка маркировка двигателей

Диаметр и высота статора отображены в маркировке (например, мотор 2807 имеет диаметр статора 28 мм и высоту 7 мм)
KV - количество оборотов двигателя на 1 вольт напряжения. Чем больше число, тем сильнее будет крутиться колокол двигателя и тем меньше можно установить пропеллер. Для дронов с нагрузкой обычно используются моторы 900-1500 KV.

Принцип работы бесколлекторных двигателей.

Магниты и обмотка создают движущую силу благодаря взаимодействию и созданию магнитного поля между ними. Это происходит благодаря подаче постоянного тока на определенную обмотку (у нас 3 фазы, то есть 3 отдельных провода на обмотке), ток подается и прекращает подаваться на определенные обмотки в короткий промежуток времени, тысячные доли секунды, заставляя крутиться верхнюю часть с магнитами. Этим процессом полностью управляют ESC-регуляторы, это мозг моторов, они решают, когда подавать ток, а когда нет и с какой частотой. При этом важно определить оптимальную АКБ для питания моторов.

Моторами управляет ESC через полетный контроллер, тем самым генерируются сигналы скорости для каждого мотора. Но эти скорости оборотов моторов уже создают другую зависимость, влияющую на такие аэродинамические характеристики дрона как скорость, устойчивость в воздухе, подъемная сила и т.д. Эта зависимость или аэродинамическое понятие называется винтомоторная группа (ВМГ). Из теории аэродинамики, винтомоторная группа (ВМГ) это установка, создающая тягу под воздействием, которой винтовой летательный аппарат движется в требуемом направлении (или стремится двигаться; например, зависает, когда сила, создаваемая ВМГ, компенсируется силой тяжести).

По простому, ВМГ нужна для создания тяги. Мотор это двигатель, а пропеллер создает тяговую силу. Чем больше тяга, тем больше скорость полета дрона. Например, если два задних мотора с пропеллерами вращаются быстрее (создают большую тягу) чем передние, то дрон у нас наклоняется вперед и пытается лететь вперед.

Пропеллеры

Пропеллеры являются важным компонентом FPV-дрона. Они определяют мощность, плавность хода и отзывчивость дрона на ваши команды. Они устанавливаются на вал двигателя, фиксируются гайкой и бывают разных форм, размеров и с разным количеством лопастей. Понимание основ работы пропеллеров крайне важно для оптимизации производительности дрона.

Предназначены для вращения как по часовой стрелке (CW-clockwise/правого вращения) или против часовой стрелки (CCW-counter-clockwise/левого вращения). Важно устанавливать их согласно выбранной вами схеме направления вращения моторов (прямая и обратная). Неправильная установка приведёт к неминуемой неудаче. Дрон либо перевернётся на стартовой площадке, либо будет прижиматься к земле.

Чтобы максимально эффективно использовать винтомоторную группу, нужно знать некоторые моменты о пропеллерах. Нужно учитывать 4 основных моментов:

Размер.
Шаг.
Форма и количество лопастей.
Материал.
Крепление.

Маркировка:
Существует 2 формата, которые используют производители:

ДxШxК или ДДШШ x К, где Д - длина, Ш - шаг, К - количество лопастей. Например, пропеллеры 5×4,5 (также маркируются как 5045) имеют длину 5 дюймов и шаг 4,5 дюйма.
Другой пример, 7x4x3R (иногда 7040×3) - это трехлопастной пропеллер длиной 7 дюймов с шагом 4 дюйма. Буква R/CCW – реверс, против часовой стрелки. С/CW – по часовой стрелки. Шаг или угол наклона лопастей - обозначает расстояние, которое пропеллер пройдет за 1 полный оборот по своей оси.

Пропеллеры создают тягу, вращаясь и перемещая воздух. Чем быстрее вращается пропеллер, тем больше воздуха он может перемещать, а значит, тем больше тяга.

Если увеличить длину или шаг пропеллера, это даст большую тягу и приведет к большему потреблению тока. По факту это увеличивает площадь поверхности и сопротивление, поэтому больше воздуха может быть перемещено и больше энергии требуется для его вращения, если количество оборотов будет одинаковым в обоих случаях.

В двух словах, более крупный пропеллер или большая длина шага увеличит скорость или тягу БЛА, но и потребует больше энергии.

Пропеллер с меньшим диаметром или шагом может вращаться быстрее (большее число оборотов), потому что двигателю не нужно прилагать столько усилий, чтобы раскрутить его, поэтому он потребляет меньше тока. Они, как правило, работают более плавно и лучше реагируют на стики. Более быстрое изменение числа оборотов из-за меньшей инерции способствует стабильности квадрокоптера.

Пропеллер с большим шагом перемещает большее количество воздуха, что может создать турбулентность. Пропеллеры будут вращаться медленнее, и вам может не хватать ощущения резкости. Но он создает большую тягу и более высокую максимальную скорость за счет более высокого потребления тока.

Как уже сказали, чем больше площадь поверхности, тем больше воздуха может грести пропеллер и тем самым создавать большую тягу. Но обратной стороной является более высокое потребление тока, большее сопротивление и падение эффективности использования мощности.

Форма винта играет большую роль в производительности, поскольку она тесно связана с площадью поверхности. Самым характерным отличием является кончик пропеллера.

Бывают 3 вида:

обычный, классический заостренный кончик;
Bullnose (BN);
И гибрид из первого и второго варианта (HBN).

Пропеллеры могут быть изготовлены из разных материалов:

Различные виды пластика;
Пластиковый композит;
Углеродные волокна (карбон);
Дерево и т.д.

Самыми популярными являются «пластиковые» пропы, так как они находятся в категории популярных размеров до 13 дюймов. Их обычно производят из ABS пластика.

ESC/Регулятор мощности оборота моторов

ESC — Electronic speed controller, электронный контроллер скорости или регулятор оборотов.

Принцип действия ESC. Полётный контроллер посылает данные регулятору оборотов, что нужно прибавить или убавить газ на двигателе. Но двигателю дрона нельзя просто подать напряжение, так как он трехфазный и требуется попеременно подавать напряжение на определенные участки обмотки. Этим и занимается регулятор оборотов (ESC).

В зависимости от требуемой скорости вращения регулятор будет в строго заданной последовательности с определенной скоростью подавать на обмотки двигателя напряжение, что будет вызывать вращение ротора.

Параметры ESC:

Максимальный ток - сила тока, которую выходные транзисторы контроллера могут держать продолжительное время, то есть постоянно. Иногда указан пиковый ток, допустимый в течение короткого промежутка времени;
Максимальное рабочее напряжение - пометка, на какой аккумулятор рассчитан ESC. Важно убедиться, что регулятор рассчитан на нужное вам количество банок;
Поддерживаемый протокол передачи данных между FC и ESC – в данный момент используется цифровой протокол DSHOT 150\300\600. При использовании цифрового протокола перестала существовать проблема с постоянной калибровкой ESC, благодаря цифровой передаче протокол менее подвержен воздействию шумов. Скорость передачи DSHOT600 составляет 600.000 бит/сек. (для DSHOT300\150 300.000 И 150.000 соответственно). Задержка при передаче данных составляет 25.7 мкс, что совершенно незначительный показатель.

Регулятор оборотов контролирует скорость моторов дрона согласно командам полетного контроллера.

Одиночные ESC используются совместно с PDB (Роwеr Distribution Воаrd) переводится как плата распределения питания. Как правило, это небольшая плата размером с полетный контроллер, на которой есть 5 контактных площадок (плюс и минус). На одну площадку припаивается разъем для подключения аккумулятора (часто эти контакты выведены в сторону), на остальных 4 (если вы собираете обычный квадрокоптер) припаиваются контакты от регуляторов оборотов (ESC). То есть, простыми словами, эта плата распределяет ток от аккумулятора по всей системе квадрокоптера.

Важно понимать, что использование PDB и 4 отдельных регуляторов оборотов является тем же самым, что использование регулятора оборотов 4in1, но стоимость первого варианта дороже. Если при использовании ESC 4in1 мы его размещали в стэке корпуса дрона, то используя PDB и четыре ESC схема компоновки будет такой: PDB в стэке корпуса, а четыре ESC будут располагаться на каждом луче.

Строение регуляторов оборотов:

MOSFET (это полевой транзистор с изолированным затвором. Он работает как ключ. Драйвер затвора подает сигнал - МОSFЕТ открывается и подает ток на определенную область статора, тем самым, заставляя магниты вращать колокол двигателя. Все это происходит много раз за доли секунды)
Драйвер затвора (драйвер затвора управляет множеством мосфетов, о которых рассказано выше. Он определяет когда полевому транзистору открыться, а когда закрыться.)
Микроконтроллер (это мозги регуляторов оборотов. Именно этот чип прошивается и в него загружается прошивка)
Регулятор напряжения
Датчик тока (служит для отображения в OSD текущего тока, который подается на регуляторы оборотов)

Конденсатор

Конденсатор - электронный компонент, представляющий собой двухполюсник с постоянным или переменным значением емкости и малой проводимостью.
Устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Все мощные регуляторы оборотов рекомендуется использовать с конденсатором.

Конденсаторы нужны для защиты регуляторов от скачков напряжения (в том числе высокочастотных), то есть компенсации напряжения, а также для защиты аккумуляторов и бортовых потребителей от переменного напряжения, генерируемого моторами.

Шум (или помехи) в дроне появляется от скачков напряжения, тока и частоты в разных электронных цепях, даже плавно вращающиеся моторы могут вызывать такие скачки.

Рекомендуется использовать электролитический конденсатор емкостью 1000-3000 микрофарадах (мкФ).

Добавление конденсатора может помочь очистить питание от шумов, что даст вам следующие преимущества:

уменьшение помех на видео с курсовой камеры;
уменьшение электрических помех, которые могут повредить мотор, регулятор и радиосигнал;
улучшение летных характеристик, при помощи очистки питания гироскопов;
можно даже спасти электронику от повреждения скачками напряжения,
вызванными работой активного торможения.