Будова квадрокоптера. Регулятори ходу (ESC)

Привіт!

Давненько не писав нічого. Щось не до забавок останнім часом – то суки людей вбивають пачками на майдані, то неофашистський Путлєрський режим війни захотів… Комплектуючі для квадрокоптера досі не замовив, бо кожного дня не знаю що буде через тиждень… Здається мені, що ймовірність початку війни дуже вже висока.

Ну але мріяти це не заважає, тому продовжую розбиратись з будовою квадрокоптера.

Сьогодні мова піде про регулятори ходу (ESC – Elecronic Speed Controller).

 

 

В народі їх ще називають “регулі”.

Не плутати з “рагулями”, так нас часто зараз називають “туристи” із “братньої” країни (хто не в курсі, тиць):

shevchenko-donetsk-suki

Ну що-ж, бажаю їм всім невдовзі померти і продовжую… про регулі.

Так от, регулятори ходу – це такі схеми, які дозволяють контролювати поведінку моторів – подають на них необхідний струм і напругу, залежно від вказівок, отриманих від контроллера польотів.

Ось так виглядає регулятор, з’єднаний з мотором:

esc-motor-connected

Більшість застосовуваних в моделізмі безколекторних моторів побудовані за принципом “вивернутого навиворіт” колекторного двигуна: статор з обмотками нерухомий, а ротор з постійними магнітами обертається. Кількість обмоток – завжди три.

Серед безколекторних моторів для моделізму можна виділити дві основні групи – з внутрішнім ротором, де постійний магніт обертається усередині обмоток, і з зовнішнім ротором (outrunner). Останні мають, як правило, більшу кількість магнітних полюсів, і більший крутний момент у порівнянні з моторами з внутрішнім ротором, що дозволяє застосовувати їх на авіамоделях без використання редуктора – вони можуть «безпосередньо» крутити гвинти великого діаметру.

Мотор з внутрішнім ротором використовується в мому улюбленому Hubsan X4:

hubsan-x4-inrunner-motor

Ну а з зовнішнім ротором – мотори використовуються в нормальних квадрокоптерах. Тобто, саме такі мотори я й планую купувати. Ось так вони виглядають:

t-motor-outrunner

Основні характеристики контролерів

Максимальний постійний (сontinious) струм – вказує, який струм контролер здатний тримати тривалий час. Як правило, цей параметр входить в позначення контролера (DJI ESC-30A OPTO, Afro ESC 20).

Максимальна робоча напруга - При більшій, ніж дозволено, напрузі батареї регулятор може згоріти. Часто в характеристиках позначають не напругу, а число банок в батареї акумуляторів. Якщо помножити кількість банок на 3.7 Вольт – отримуємо максимально допустиму напругу.

Максимальні обороти (maximum rpm) – програмне обмеження максимальних обертів. Завжди вказується для двополюсного двигуна. Для багатополюсних моторів це число треба розділити на кількість пар полюсів. Наприклад, якщо вказано 63000 rpm, то для мотора з 12-ма магнітами максимальні обороти будуть 63000/6 = 10500 rpm, а це вже не так багато … Ця функція не дає мотору набрати більшу, ніж зазначено кількість обертів, деякі контролери при перевищенні цього значення на холостому ходу починають давати збої, викликаючи значні кидки струму – мотор починає різко сіпатися. Цей ефект не є ознакою несправності мотора чи контролера.

Частота імпульсів контролера (PWM Frequency)(що таке PWM – раджу погуглити самостійно) – як правило, становить 7-8 Кгц. У “просунутих” контролерів частоту регулювання можна програмувати на інші значення-16 і 32 Кгц. Ці значення застосовується в основному для високообертових 3-4-х виткових моторів з малою індуктивністю, при цьому поліпшується лінійність регулювання частоти обертання.

Особливості підключення

Провід – не така проста справа, як може здатися на перший погляд. Є кілька важливих аспектів.

Найголовніше – не можна робити дроти від контролера до акумулятора великої довжини! Справа в тому, що стартові струми беколлекторних моторів набагато більші, ніж аналогічних колекторних, і при роботі моторів виникають великі скачки струму.

При подовженні проводів від контролера до батареї починає позначатися їх індуктивність, і може виникнути ситуація, коли рівень перешкод по напрузі живлення на вході контролера стане настільки високий, що контролер не зможе правильно визначити положення ротора мотора (іноді при цьому ще й “повисає” процесор контролера ). Відомо кілька випадків повного “вигорання в дим” контролерів, при подовженні проводів з боку акумулятора до 30см. Якщо необхідно збільшити довжину проводів (наприклад, двигун стоїть в хвості моделі), то треба збільшувати довжину проводів від мотора до контролера. Як правило, контролери поставляються з проводами до батареї довжиною 13-16см. Така довжина цілком достатня для надійної роботи контролера, і не слід її збільшувати більш ніж на 5см.

Крім того, довгі дроти до батареї можуть викликати проблеми при різкому старті мотора – контролер може не перейти від режиму старту до робочого режиму при занадто різкому збільшенні “газу”. Для запобігання цього ефекту в багатьох контроллерах є спеціальні налаштування.

Налаштування

Практично всі сучасні контролери мають безліч програмних налаштувань. Від них залежить режим роботи, надійність, а іноді і працездатність контролера в парі з тим чи іншим мотором. Перерахую основні з них, і розгляну, як і на що вони впливають.

Напруга вимкнення мотора (cut-off voltage) – мінімальна напруга на батареї, при якій мотор буде вимкнений. Ця функція призначена для збереження працездатності апаратури при розряді батареї і для захисту самої батареї від перерозряду (останнє особливо важливо для літій-полімерних акумуляторів).

Тип вимкнення мотора (cut-off voltage) – як правило має 2 значення – плавний (soft cut-off) і жорсткий (hard cut-off).

При плавному виключенні мотора контролер скидає оберти поступово, не дозволяючи напрузі на батареї впасти нижче заданого, при цьому контроль над моделлю зберігається до останнього.

При жорсткому – мотор негайно зупиняється якщо зафіксовано падіння напруги нижче заданого.

Гальмо (brake) – гальмування мотора після встановлення газу в “нуль”. Може мати значення включений/виключений, на деяких контролерах є ще програмована величина гальма 50-100% і затримка включення гальма після повного скидання газу. Це необхідно для захисту шестерень редуктора в разі використання великих і важких пропелерів. У деяких контролерах гальмо і плавне вимкнення мотора – установки взаємовиключні – для включення плавного відключення мотора треба вимкнути гальмо і навпаки.

Випередження (Timing) – параметр, від якого залежить потужність і ККД двигуна. Може знаходиться в межах від 0° до 30°. Фізично це електричний кут випередження комутації обмоток.

Для двополюсних моторів при збільшенні випередження обороти і потужність на максимальних обертах ростуть, а загальний ККД падає. Для двох і 4-х полюсних моторів з внутрішнім ротором рекомендують значення від 5 до 15 градусів. При великих значеннях випередження потужність практично не зростає, а ККД падає на 3-5% – це важливо для змагань, де рахунок йде саме на ці проценти.

Для багатополюсних моторів з зовнішнім ротором ситуація інша – для них оптимальним по ККД і потужності є випередження 25-30°. При зміні кута випередження від 5 до 25° ростуть і ККД і вихідна потужність. Однак приріст цей невеликий – близько 3%. Як то кажуть – в польоті не помітно, але усвідомлювати приємно…

Режим старту (start mode) – не має, як правило, якихось числових значень, описується тільки як м’який, (soft) жорсткий (hard), швидкий (fast).

Швидкий старт рекомендується для моторів без редукторів і для використання у змаганнях. При використанні швидкого старту в моторах з редукторами можливе пошкодження шестерень.

Плавний старт забезпечує менші пускові струми в момент старту і дозволяє уникнути можливих перевантажень по струму контролера, але час розкрутки мотора до повних обертів збільшується.

Час акселерації або затримка акселерації (acseleleration time або acseleration delay) – встановлює час набору оборотів після старту до максимуму. Встановлюється меншим для моторів з легкими пропелерами без редукторів і більшим для моторів з редукторами і у випадку спрацьовування захисту по струму при різкому збільшенні газу.

Обмеження струму (Curent limiting) – рівень спрацьовування захисту по струму. Встановлюється більш чутливим у разі застосування моторів з великим стартовим струмом і батарей з високим внутрішнім опором. При цьому бажано встановити плавне відключення мотора, в іншому випадку при різких маніпуляціях газом мотор буде зупинятися.

Не рекомендується відключати захист по струму, якщо ви не впевнені, що струм мотора не може перевищити максимально допустиме значення для контролера. Це може привести до пошкодження контролера великими стартовими струмами.

Режим газу (throttle type або throttle mode) – встановлює залежність оборотів мотора від ручки газу. Може мати значення автокалібрування (auto calibrating) – при цьому контролер самостійно визначає становище малого і повного газу, а також фіксований (fixed) – коли характеристика задана виробником.

Також у деяких контроллерах присутній режим “гувернер” (governor), він призначений для вертольотів, коли положенню ручки газу відповідають певні обороти, а не потужність двигуна, контролер в даному режимі працює як автоматична система підтримки обертів, додаючи потужність при збільшенні навантаження на двигун.

Реверс (reverse) – зміна напрямку обертання. Зазвичай для зміни напрямку обертання двигуна треба поміняти місцями будь-які два дроти від мотора. Але в просунутих контролерах, можливо змінити напрямок обертання мотора програмно.

Про вибір ESC

Співвідношення ціна-якість тут рулить, як і у решті сфер життєдіяльності :)

Вцілому, більшість наявних на ринку ESC для любителів буде прийнятною для нас, чайників. Зокрема, зараз всі дуже хвалять Afro ESC від hobbyking.

Обираючи ESC варто звернути увагу на наявність прошивки (чи необхідності прошивати регулятор самостійно). Зараз всі ставлять SimonK firmware і радіють життю.

Також раджу переконатись,  що максимальний постійний струм і максимальна робоча напруга підходять до нашого коптера.

Зокрема, максимальний постійний струм можна згрубша визначити за допомогою калькулятора моделіста: http://ecalc.ch/

Інструкцію по користуванню калькулятором легко знайти в інтернетах.

Переважно 20А вам буде вистачати, ну а 30А – це вже майе гарантія успіху :)

Ну а напруга – це вже залежить від обраного вами тупу батареї (кількості банок).

Мій вибір Afro ESC 20A

2 comments

  1. Pingback: kobi's FPV – Будова квадрокоптера. Схема

  2. Pingback: kobi's FPV – Будова квадрокоптера. Безколекторні мотори

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>