Bu makale Lauren Nagel ve Charles Blouin tarafından hazırlanmıştır.
Elektrik motorları birçok araçta ve araçta kullanılır. Drone'larda ve elektrikli uçaklarda en sık gaz kontrolörü ve ESC ile kontrol edilirler.
Kontrolörünüzde gazı artırdığınızda aslında güç kaynağınızdan (yani pilinizden) çekilen ve ESC aracılığıyla motorunuza iletilen elektrik gücünün miktarını artırırsınız. Motoru yavaşlatmak istiyorsanız gücü azaltın; motoru hızlandırmak istiyorsanız gücü artırın.
Peki motorun hızını kontrol etmenin arkasındaki mekanizma nedir?
Bu makalede şunları ele alacağız:
- Elektrik motorunun hızını nasıl artırırız (veya azaltırız)
- Elektrik motoru hız formülü
- PWM görev döngüsü ve ESC çıkış gerilimi açısından motor hızı
- Motor KV'den RPM hesaplaması
Şekil 1: itki test standına monte edilmiş Xoar T110 motoru
Elektrik Motorunun Hızını Nasıl Artırırız (veya Azaltırız)
Elektrik motorunun hızını kontrol etmek, motora iletilen elektrik gücünün miktarını kontrol etmek kadar “basittir”. Bu makalede, ivmelenmenin olmadığı kararlı durum koşullarına baktığımızı varsayacağız.
Daha kesin olmak gerekirse, belirli bir mekanik yük (veya direnç) için hızı artıran şey gerilimdeki artıştır. Alternatif olarak, motor üzerindeki yükü azaltabiliriz.
Elektrik Motoru Hız Formülü
Açısal hız için bu denkleme bakarsak:
ω = açısal hız
Açısal hızın, yani elektrik motoru hızının, yani RPM'nin gerilimle doğru orantılı ve torkla ters orantılı olduğunu görebiliriz.
Bu nedenle, motorun hızını artırmak istiyorsak a) iletilen gerilimi artırabilir veya b) torku azaltabiliriz. Torku azaltmak tasarımınızı veya yükünüzü değiştirmeyi gerektireceği için gerilimi artırmak çok daha basittir.
Denklem ayrıca sabit bir gerilimde daha yüksek torkun daha düşük bir RPM ile sonuçlandığını gösterir.
Ayrıca ESC içinde bazı küçük kayıplar olduğunu, bu nedenle giriş geriliminin motora giden çıkış geriliminden daha yüksek olduğunu, ancak genellikle yalnızca birkaç yüzde olduğunu da belirtmeliyiz.
PWM Görev Döngüsü ve ESC Çıkış Gerilimi Açısından Motor Hızı
Gücü iletmek için kullanılan ESC protokolleri açısından bu motor hızı değiştirme işlemini de tanımlayabiliriz.
Örneğin PWM ile kontrolörden gönderilen değer (µs cinsinden), motora ve ESC'ye gönderilebilecek maksimum gerilimin bir yüzdesine karşılık gelir.
µs cinsinden PWM değeri 1000 (gaz yok) ile 2000 (tam gaz) arasında olacaktır. Aradaki tüm değerlerin µs cinsinden bir sinyal uzunluğu vardır ve bunlar %0 ile %100 arasında bir görev döngüsüne karşılık gelir.
%0'de ESC'ye ve motora güç iletilmez. %100'de güç sürekli olarak ESC'ye ve motora iletilir.
Şekil 2: Test standına monte edilmiş Xoar TA130 motoru
Bu uygulamada ESC üreticileri arasında farklılıklar vardır. Ancak görev döngüsü ile motor hızı arasındaki ilişki genellikle ESC'nin ortalama çıkış gerilimine yaklaşık olarak eşittir.
ESC her fazda bir sinüs dalgası çıkışı yaklaşık olarak sağlar. %50 ESC çıkışında sinüs dalgası, %100 ESC çıkışındaki sinüs dalgasının yaklaşık yarısı genliğe sahip olacaktır. Çoğu ESC'deki elektronik sürücülerin yalnızca açık-kapalı durumuna sahip olduğunu, bu nedenle gerçek sinyalin mükemmel bir sinüs dalgası kadar pürüzsüz olmadığını unutmayın.
Motor ve ESC üreticileri arasında birçok farklılık vardır ve elektronik devreler doğrusal olmayanlıklar yaratabilir. Pratik uygulamalar için motoru ve ESC'yi bir dinamometre kullanarak karakterize etmek en iyisidir.
ESC Teknolojisinin Geleceği
Yukarıda belirtildiği gibi, elektrik motorları dönmeyi sürmek için açık-kapalı durumları arasında değişen elektrik sinyalleri aracılığıyla çalışır.
Silikon tabanlı yarı iletkenler doğal fiziksel kısıtlamalara sahiptir. Daha yüksek RPM'lerde anahtarlama frekansları arttıkça, silikon bileşenler anahtarlama kayıpları nedeniyle önemli miktarda termal enerji üretir. Bu ısı, malzemenin daha yüksek RPM'lerde elektriksel ve termal yükü taşıyamaması nedeniyle sistemin verimliliğini ve maksimum hızını sınırlar.
Galyum nitrür (GaN), silikona kıyasla gerilim ve sıcaklık için daha yüksek bir eşik sağlayan bir yarı iletkendir. Daha yüksek elektriksel iletkenliğe sahiptir, bu da daha hızlı anahtarlama hızlarına ve çalışma sırasında azaltılmış elektriksel dirence olanak tanır. Bu özellikler, GaN tabanlı kontrolörlerin, silikonun termal veya elektriksel aşırı yük nedeniyle başarısız olacağı ortamlarda bile kararlı performansını korumasına izin verir.
Hargrave Technologies microDRIVE LP, UAV endüstrisi içinde bu teknolojinin erken bir uygulamasıdır. Bu cihazlar şu anda yüksek performanslı silikon tabanlı ESC'lerin performansını aşmasa da, ESC'lerin güç yoğunluğunu artırma potansiyeline sahip gelişmekte olan bir alanı temsil eder.
Şekil 3: Kompakt ve hafif GaN tabanlı ESC (kaynak: Hargrave Technologies)
Bir ESC'nin İç İşleyişi hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın.
Dshot ve Oneshot gibi dijital protokoller aynı görev döngüsü kavramını kullanır, ancak çok daha hızlı sinyal iletimi ve farklı sinyal iletim desenlerine sahiptir.
Görev döngüsünü 0 ile 1024 arasında bir değer olarak da görebilirsiniz. Bu, teknolojinin 8 bitlik kontrolörler etrafında geliştirildiği gerçeğine dayanır. 8 bitlik bir sistemde 2 seçenek (açık / kapalı) → 2¹⁰ → 1024.
Bu sistem ESC'nin çıkış gerilimini belirlemek için de kullanılabilir.
Örneğin, %100 çıkışa göre 796 → %78 'açık'.
Motor KV'den RPM Hesaplaması
Yüksüz bir durumda, motorun KV değerini kullanarak iletilen gerilime göre motorun hızını tahmin edebilirsiniz.
motor KV'sini nasıl hesaplayacağımız hakkındaki makalemizde tartışıldığı gibi, elektrik motorumuzun dönme hızını tahmin etmek için bu denklemde Ters EMF'nin yerine giriş gerilimini koyabiliriz.
MAD Components' M50C35 EEE 9 KV motorunu örnek olarak kullanalım. 400 V maksimum gerilime ve 9 KV KV değerine sahiptir. Bu rakamları formüle koyduğumuzda maksimum hızımız:
Bu nedenle tam gazda bu motor 3600 RPM'de dönecektir. Sadece %75 gaz uygularsak, yani 300 V'a karşılık gelirse, 2700 RPM hızında dönecektir.
Sonuç
Bu makalede gösterildiği gibi, motor hızını artırmanın birkaç yolu vardır.
En uygulanabilir yol, gazı artırarak motora iletilen gerilimi artırmaktır. Torku da azaltabilirsiniz, ancak bu genellikle UAV'nin tasarımı veya amacını daha fazla bozar.
Elektrik motorlarının ve UAV'lerin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla sorunuz varsa, lütfen diğer makalelerimize göz atın veya aşağıya bir yorum bırakın.