由 Lauren Nagel 和 Charles Blouin 撰写
电机广泛用于各种工具和车辆。在无人机和电动飞机中，电机通常通过油门控制器和 ESC 进行控制。
当您提高控制器的油门时，实际上是增加了从电源（即电池）汲取并经由 ESC 输送给电机的电能。如果您想减慢电机转速，就降低功率；如果您想提高电机转速，就加大功率。
那么，控制电机转速背后的机制是什么呢？
本文将介绍：
- 如何提高（或降低）电机转速
- 电机转速公式
- PWM 占空比与 ESC 输出电压下的电机转速
- 电机 KV 与 RPM 的计算
图 1：安装在动力测试台上的 Xoar T110 电机
如何提高（或降低）电机转速
控制电机转速“就像”控制输送给电机的电能一样简单。在本文中，我们将假设处于无加速度的稳态条件。
更准确地说，对于给定的机械负载（或阻力），提高电压会导致转速增加。或者，我们可以降低电机的负载。
电机转速公式
如果我们来看这个角速度公式：
ω = 角速度
我们可以看到，角速度（即电机转速，即 RPM）与电压成正比，与转矩成反比。
因此，如果我们想提高电机转速，可以：a) 提高输送电压，或 b) 降低转矩。由于降低转矩需要更改设计或负载，因此提高电压要简单得多。
该公式还表明，在恒定电压下，更高的转矩会导致更低的 RPM。
我们还应该注意，ESC 内部存在一些微小损耗，因此输入电压高于输送给电机的输出电压，但通常仅高出几个百分点。
PWM 占空比与 ESC 输出电压下的电机转速
我们也可以从用于输送功率的 ESC 协议的角度来描述电机转速的变化过程。
例如，在 PWM 中，从控制器发送的值（以 µs 为单位），对应于可以发送给电机和 ESC 的最大电压的百分比。
PWM 值（以 µs 为单位）将在 1000（无油门）和 2000（全油门）之间。所有介于两者之间的数据都有一个 µs 长度的信号，对应于 0 到 100% 之间的占空比。
在 0% 时，没有功率输送给 ESC 和电机。在 100% 时，功率持续输送给 ESC 和电机。
图 2：安装在测试台上的 Xoar TA130 电机
不同 ESC 制造商在这一实现方式上有所差异。然而，占空比与电机转速之间的关系通常大致相当于 ESC 的平均输出电压。
ESC 在每个相上近似输出正弦波。在 50% ESC 输出时，正弦波的振幅将约为 100% ESC 输出时正弦波振幅的一半。请注意，大多数 ESC 上的电子驱动器仅具有开启/关闭状态，因此实际信号并不像完美的正弦波那样平滑。
电机和 ESC 制造商之间存在许多差异，电子元件还可能引入非线性。对于实际应用，最好使用测功机对电机和 ESC 进行特性表征。
ESC 技术的前景
如上所述，电机通过电 信号在开启/关闭 状态之间交替来驱动旋转。传统 ESC 依赖于硅基半导体，它们具有固有的物理限制。随着更高 RPM 下开关频率的增加，硅元件会因开关损耗产生大量热能。由于材料无法承受更高 RPM 下的电和热负荷，这种热量会限制系统的效率和最大速度。
氮化镓（GaN）是一种半导体，与硅相比，它具有更高的电压和温度阈值。它具有更高的导电性，从而实现更快的 开关速度，并在运行期间降低电阻。这些特性 使得基于 GaN 的控制器能够在硅因热或电 过载而失效的环境中保持稳定性能。
Hargrave Technologies 的 microDRIVE LP 是该技术在无人机行业中的早期应用。尽管这些设备目前还没有超越高性能硅基 ESC，但它们代表了一个发展中的领域，具有提高 ESC 功率密度的潜力。
图 3：紧凑轻巧的 GaN 基 ESC（来源：Hargrave Technologies）
点击此处了解更多关于 ESC 内部工作原理 的信息。
Dshot 和 Oneshot 等数字协议使用相同的占空比概念，但信号传输速度更快，信号传输模式也不同。
您可能还会看到占空比被写成 0 到 1024 之间的一个值。这是基于该技术最初围绕 8 位控制器开发的事实。8 位系统中的 2 个选项（开启/关闭）→ 2¹⁰ → 1024。
该系统也可以用于确定 ESC 的输出电压。
例如，796 → 78% 的“开启”状态，相对于 100% 输出。
电机 KV 与 RPM 的计算
在无负载条件下，您可以使用电机的 KV 值，根据输送电压来估算电机的转速。
正如我们在关于如何计算电机 KV的文章中所讨论的，我们可以将反电动势替换为输入电压，从而估算电机的旋转速度。
让我们以 MAD Components 的 M50C35 EEE 9 KV 电机 为例。它的最大电压为 400 V，KV 评级为 9 KV。将这些数字代入公式，我们得到的最大转速为：
因此，在最大油门下，该电机将以 3600 RPM 转动。如果我们仅应用 75% 的油门，对应于 300 V，它将以 2700 RPM 的速度转动。
结论
如本文所述，提高电机转速有几种方法。
最可行的方法是通过加大油门来提高输送给电机的电压。您也可以降低转矩，但这通常会更多地破坏无人机的设计或用途。
如果您对电机和无人机的工作原理还有任何疑问，请查看我们的其他 文章，或在下方给我们留言。