Автори — Лорен Нейґел та Шарль Блуен
Електродвигуни використовують у багатьох інструментах і транспортних засобах. У дронах та електричних літальних апаратах ними найчастіше керують за допомогою контролера газу й електронного регулятора швидкості (ESC).
Коли ви збільшуєте газ на контролері, зростає електрична потужність, яка надходить від джерела живлення, наприклад акумулятора, до двигуна через ESC. Щоб уповільнити двигун, зменште потужність; щоб прискорити — збільште її.
Але який механізм лежить в основі керування частотою обертання двигуна?
У цій статті розглянемо:
- Як збільшити або зменшити частоту обертання електродвигуна
- Формулу частоти обертання електродвигуна
- Зв’язок частоти обертання з коефіцієнтом заповнення ШІМ і вихідною напругою ESC
- Розрахунок обертів двигуна за KV
Рисунок 1. Двигун Xoar T110 на стенді тяги
Як збільшити або зменшити частоту обертання електродвигуна
Керування частотою обертання електродвигуна зводиться до керування електричною потужністю, що надходить до нього. Далі припускаємо, що розглядаємо усталений режим без прискорення.
Точніше, за заданого механічного навантаження або опору збільшення напруги підвищує частоту обертання. Інший варіант — зменшити навантаження на двигун.
Формула частоти обертання електродвигуна
Розгляньмо це рівняння кутової швидкості:
ω = кутова швидкість
Бачимо, що кутова швидкість, тобто швидкість обертання електродвигуна, пов’язана зі збільшенням напруги та зменшенням крутного моменту.
Тому збільшити частоту обертання можна двома способами: а) підвищити напругу або б) зменшити крутний момент. Оскільки зменшення крутного моменту потребує зміни конструкції чи навантаження, підвищити напругу значно простіше.
Рівняння також показує: за сталої напруги більший крутний момент відповідає нижчим обертам.
Варто також врахувати невеликі втрати в ESC: його вхідна напруга вища за вихідну напругу на двигуні, але зазвичай лише на кілька відсотків.
Частота обертання, коефіцієнт заповнення ШІМ і вихідна напруга ESC
Процес зміни частоти обертання можна також описати через протоколи ESC, які використовують для керування потужністю.
Наприклад, у разі ШІМ значення, яке контролер передає в мкс, відповідає певному відсотку максимальної напруги, доступної для двигуна та ESC.
Значення ШІМ у мкс перебуває в діапазоні від 1 000 (нульовий газ) до 2 000 (повний газ). Проміжні тривалості сигналу в мкс відповідають коефіцієнту заповнення від 0 до 100%.
За 0% потужність не подається до ESC і двигуна. За 100% потужність подається безперервно.
Рисунок 2. Двигун Xoar TA130 на випробувальному стенді
Реалізація відрізняється залежно від виробника ESC. Однак зв’язок між коефіцієнтом заповнення й частотою обертання зазвичай приблизно відповідає середній вихідній напрузі ESC.
ESC формує наближений синусоїдальний вихідний сигнал на кожній фазі. За виходу ESC 50% амплітуда синусоїди становитиме приблизно половину амплітуди за 100%. Зауважте: електронні драйвери більшості ESC мають лише стани «увімкнено» та «вимкнено», тому фактичний сигнал не такий плавний, як ідеальна синусоїда.
Між виробниками двигунів і ESC є багато відмінностей, а електроніка може вносити нелінійності. Для практичного застосування найкраще визначити характеристики двигуна та ESC на динамометричному стенді.
Майбутнє технології ESC
Як зазначено вище, електродвигуни приводяться в обертання електричними сигналами, що перемикаються між станами «увімкнено» та «вимкнено». Традиційні ESC використовують кремнієві напівпровідники з властивими їм фізичними обмеженнями. Зі зростанням частоти перемикання за вищих обертів кремнієві компоненти виділяють значну кількість тепла через втрати на перемикання. Це тепло обмежує ефективність і максимальну швидкість системи, оскільки матеріал не витримує електричного й теплового навантаження за вищих обертів.
Нітрид галію (GaN) — напівпровідник із вищими допустимими напругою та температурою порівняно з кремнієм. Його вища електропровідність дає змогу швидше перемикатися та зменшувати електричний опір під час роботи. Завдяки цим властивостям регулятори на основі GaN можуть стабільно працювати в умовах, у яких кремнієві компоненти відмовили б через теплове або електричне перевантаження.
Регулятор Hargrave Technologies microDRIVE LP — один із ранніх прикладів застосування цієї технології в галузі БПЛА. Хоча наразі такі пристрої не перевершують високопродуктивні кремнієві ESC, це напрямок розвитку з потенціалом підвищення питомої потужності регуляторів.
Рисунок 3. Компактний і легкий ESC на основі GaN (джерело: Hargrave Technologies)
Дізнайтеся більше про внутрішню будову та роботу ESC.
Протоколи Dshot і Oneshot використовують ту саму концепцію коефіцієнта заповнення, але зі значно швидшим передаванням сигналів та іншими схемами їх подавання.
Коефіцієнт заповнення також можуть подавати як значення від 0 до 1 024. Така шкала використовує дискретне цифрове представлення: два стани («увімкнено» / «вимкнено») у 10-бітній системі дають 2¹⁰ = 1 024 значення.
Цю систему можна також використати для визначення вихідної напруги ESC.
Наприклад, 796 відповідає приблизно 78% стану «увімкнено» відносно виходу 100%.
Розрахунок обертів двигуна за KV
Без навантаження значення KV двигуна дає змогу оцінити частоту його обертання за поданою напругою.
Як пояснено в нашій статті про розрахунок KV двигуна, у цьому рівнянні можна замінити проти-ЕРС вхідною напругою, щоб оцінити частоту обертання електродвигуна.
Візьмімо двигун M50C35 EEE 9 KV від MAD Components як приклад. Його максимальна напруга — 400 В, а KV — 9 об/хв на вольт. Підставивши ці значення у формулу, отримуємо максимальну частоту обертання:
Отже, за повного газу цей двигун обертатиметься з частотою 3 600 об/хв. За газу 75%, що відповідає 300 В, частота становитиме 2 700 об/хв.
Висновок
Як показано в цій статті, частоту обертання двигуна можна збільшити кількома способами.
Найпростіший практичний спосіб — підвищити напругу на двигуні, збільшивши газ. Можна також зменшити крутний момент, але це зазвичай потребує істотніших змін конструкції або призначення БПЛА.
Якщо у вас залишилися запитання про електродвигуни й БПЛА, перегляньте інші наші статті або напишіть у коментарях.