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多轴无人机动力系统简析(第二期更新啦)!!!

精华 3
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        随着多轴无人机的普及,越来越多的人开始对这样一种新鲜事物产生兴趣,然而消费级无人机时代的到来,彻底打开了我们这些从小有着飞行梦却无从实现的人的购买欲望,从此便开始了对无人机的各种探索。

       一台最简单的多轴由飞控,机架,电池,电调,电机,桨组成,还有些遥控器什么的烂七八糟的。飞控,采用了高精度的飞行控制器进行精确的姿态运算与控制,将控制信号直接发送到电调,通过电调转换为三相交流电,从而直接驱动无刷电机,电机与螺旋桨是直接驱动的关系,没有任何间接传动与机械联动。好吧,我们今天就重点说说多轴的动力系统,在讲解之前我还是啰嗦一下。

       相比直升机,多轴最明显的特点就是结构简单了,省去十字盘复杂的结构,降低了故障率,节省了大量的调试时间,降低了调试伤人的风险。相比固定翼,最简单的对比就是四轴可以垂直起降并实现定点定高悬停(固定翼吊机的大神请收下我的膝盖),操作难度降低了,从而让很多有“飞天梦”的同志们成功入坑了。背景音乐“就这样被你征服~~~~”

多轴的动力系统,细细的说是由电机,动力线路,电调,电机,桨组成

电池嘛,早前大家都在做DIY设备的时候很多人在因为搭配什么样的动力而苦恼,折腾好大一圈,用过很多机器之后才猛然发现,小电机带小桨,载重小,决定了电池小,结果续航时间一般比较短,大电机带大桨,可以大载重,电池大了续航长了些,这时候就想着光傻飞也没什么用啊,结果就开始选配云台,为了航拍,然而问题又出现了,一挂云台,似乎之前追求的续航又短了。这时候,担负着拯救苍生的一体机“精灵一”横空出世了,当时我就震精了,我擦,居然给我啥都装好了,到手上电即飞(不过当时我没买)。紧接着一代一代的精灵就这么跟大家见面了,确实无论从工业设计,还是动力系统的选配,还是操作体检,都是划时代的。仔细数一数,精灵一,精灵fc40,精灵二,精灵v,精灵v+,精灵3a/p,精灵3s这时候似乎又有一阵背景音乐“在山的那边海的那边有一群小精灵~~~”

      
动力,很多人都以为只是说电机,那我就从电机开始说,首先,我们都是无刷电机,相比有刷电机,有使用寿命长,转速易控制,噪音小,扭矩大等特点,一般多轴呢都是选用外转子无刷电机,简单来说线圈的固定在底座上的,由底座靠两个滚珠轴承来固定一根光棒轴承,轴承下部由卡簧固定,上部固定在外转子上,外转子上一般是粘有永磁体,并且n/s极相间隔安装,为此,我特地“解剖”一台双天7015(2系电机太小了,拆开就变形了),以便大家看清结构,趁着加载图片,我啰嗦两句电机常识,一般电机的标注为abcd,对于动力电机,ab是指内转子(线圈)的直径,cd指的是内转子高度,对于云台电机,一般是外转子的尺寸。也有不良商家乱来的,不点名批评了,自己找个坑好好反省。

某电机拆解(小零件没放上来)

某电机拆解(小零件没放上来)

      
电机外转子动平衡和轴承的选材决定了电机大部分的表面性能,如果这两个部分出现问题,电机高速转动会有明显的异响或者震颤,极容易被察觉。

另外就是一个“有内涵”的的属性,电机线圈部分,电机的线圈选材“有铜芯的”也有“铝芯的”因为都是漆包线,基本单纯看外观是没有差异的,线芯的选材影响电机的内阻,使用寿命,散热,所以非常重要。
此外线圈的匝数,绕线的股数都直接影响电机的输出功率。
另外电机有个比较重要的参数即为kv值
,kv值的影响因素有很多,如磁钢的选料,铁芯的材质,线圈的匝数,在前面两者固定的情况下,通常匝数越多kv值越小,反之一定范围内,匝数越少kv值越大,另外就是线圈绕线的股数,决定了电流的通过量,在电压恒定的条件下,电流越大输出功率自然也会越大,但不是成决对正比。
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另外一个概念,也就是权衡电机匝数与股数的一个问题,电机的槽满率,也有人称作满槽率,一般控制在70%-80%之间最佳,太高一般缠不进去,太低会因为震动而松动,影响绝缘,使用寿命变短,另外槽内大量空气,极其影响散热(空气导热性远比铜差),如何看电机槽满率的高低,最直观的看法就是看线圈有没有绕满电机槽,但是也不能被表象所迷惑,因为我们之前很多电机是细线多股绕线,我们的线圈都是漆包线,相比来说有很大一部分体积是没有用的漆皮或者绝缘胶,影响散热的同时,效率一般也不高,于是后来市面上开始流行粗线绕线法,相比细线来说提高了实际的槽满率,粗线定型能力强,不容易松动,延长了使用寿命,另外选用粗线,效率也得到了提升。楼主手拙,也缠了一直电机(略丑,勿喷)。

改线圈绕线

改线圈绕线

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楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 来自 2#
好吧,讲完电机的基本结构也该讲讲电机的工作原理了,提到驱动,就要说说咱们一直默默在背后工作到冒烟的兄弟----电调。楼主又忍不住手欠,扒了一只可爱的黄皮电调(也是以前固定翼常用的),OK,那我们看看这个电调,最先看到就是六个排列整齐的黑色方块,这个就是莫斯管,是电路驱动的主要零部件,那我们接着看看电调驱动的原理图,有点模糊,将就着看看吧。


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楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 来自 3#
   
这是一个12n16p的电机驱动示意图(左边是电调的原理图),12n意思是指线圈的槽数,16p是指外转子磁钢数,外转子无刷电机中,p值是一定是大于n值的。好吧,切入正题,直流电电流从+极通入电调从-极流出,t1时刻,电流从l2流入无刷电机的线圈,通过右手螺旋定则,判断出边缘部分为n极,此时电流从l3线圈流出,流经l3线圈,此时产生的边缘磁极是s极,电机顺时针方向旋转,而此时l1是没有任何电流的,若要改变转向,      

如图所示,只需要任意交换连接三根线其中的两根线就可以了。

上面看不懂的可以看下面简易版的,首先说下,无刷电机的定子绕线分为星型和三角型,下面通过一些图片进行各种状态的分析,一边看一边讲,再对比上面的示意图,你也应该懂啦,实在不懂的,好吧,就算了。

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左边是三角形接法,状态一:A相电源正向流入,C相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示;状态二:B相电源正向流入,C相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示;状态三:B相电源正向流入,A相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示;状态四:C相电源正向流入,A相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示,这样通电下去,无刷电机的定子线圈就会产生一个旋转的磁场。
      
右边是星型接法,状态一:电流从A相正向流入,C相电流反向流出;状态二:电流从B相正向流入,A相电流反向流出 状态三:电流从B相正向流入,A相电流反向流出。可以看出,驱动电源输出三根线中的电流每段时间只有两组线圈通电(数值相等、方向相反),一组是不通电的,通常所说的“两两通电”就是这种状态。                                                                                                
      
更新到凌晨,两眼昏花了,啊啊啊啊啊!改天有时间继续更新,如有不当之处,欢迎请大家吐槽。一起学习,一起提高!
后面讨论啥,是关于电机的效率呢,还是讨论电池,桨?

楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 来自 4#
      
左边是三角形接法,状态一:A相电源正向流入,C相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示;状态二:B相电源正向流入,C相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示;状态三:B相电源正向流入,A相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示;状态四:C相电源正向流入,A相电流反向流出,电机线圈内部电流流动方向如图所示,这样通电下去,无刷电机的定子线圈就会产生一个旋转的磁场。
      
右边是星型接法,状态一:电流从A相正向流入,C相电流反向流出;状态二:电流从B相正向流入,A相电流反向流出 状态三:电流从B相正向流入,A相电流反向流出。可以看出,驱动电源输出三根线中的电流每段时间只有两组线圈通电(数值相等、方向相反),一组是不通电的,通常所说的“两两通电”就是这种状态。                                                                                                
      
更新到凌晨,两眼昏花了,啊啊啊啊啊!改天有时间继续更新,如有不当之处,欢迎请大家吐槽。一起学习,一起提高!
后面讨论啥,是关于电机的效率呢,还是讨论电池,桨?
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-9 来自 49#
    上文我跟大家谈了很多关于电机的问题,这次我们把上文做个简单总结,再给大家谈谈新的内容,至于无刷电机,基本原理已经跟大家讲的相对还是比较详细的,如果你还是看不懂。建议先去找度娘买一个疗程的脑白金补一下吧。
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可能内容有点枯燥啊,所以文风发生了点变化,不过我发誓,这都是我写的。
   
其实很多人都曾经都纳闷过,为什么同一个型号,不同品牌的两款电机可能出现的效率对比怎么相差这么多,比如市面上最多最常见的2系,我毫不留情的再次拿出我的xxd2212,这应该是很多模友早期入门都接触到的,另外呢,我们再看看现在市面上比较多的,比如大疆的2312,T-motor的2213,朗宇的2212x(a就算了),还有银燕、飓风。。。。(没提到的厂家别拿刀砍我)。
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楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-9 来自 50#
首先,都是2系电机,型号相近,kv值不同,磁钢数不同。这样本身也就决定了额定功率的不同,加上不用的电机轴承,动力学设计不一样,效率也就不同,从而导致输出功率的区别。另外提到动力学设计,不得不提到DJI大电机里面的离心式自动抽风的外转子设计,对于散热……你懂的,因为温度的变化,对于电机的能效也是至关重要的。
我们用电机,很简单的想法,用的久,省电,劲儿大(其实所有人在方面都有点不想让马儿吃草却想让马儿快快跑的想法)

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原因很简单,飞行器负载有限,电池瓶颈问题未能解决。我想对于小型无刷电机指标主要也就是这三样了,那么用的久,省电,劲儿大,怎么看?





楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-9 来自 51#
1.用的久,无刷电机没有电刷,损耗只有轴承,轴承的问题我之前已经提到了,轴承损耗最先出现的表象就是动平衡破坏了,对于航拍要求高的用户,这个必然需要拆卸维护,(仅限动手能力强的朋友)。电机对于多轴就像是人的腿脚,电机的震动,你就想象成走路腿老是抖来抖去,那怎么行,腿脚不利索指不定哪天就摔跤了…….走两步,来!走两步
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话说无刷电机进水是没事的,因为你看着没事,但是轴承会受伤。另外炸鸡就不提了,那种炸鸡之后明显电机又喀拉喀拉响还侥幸坚持不换电机的,我怎么说呢,这是对于飞机的基本保养。

楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-9 来自 52#
2劲儿大,也就是动力足,下面引入一条输出力矩的公式:
IF you  看的懂
{
      T’=BavliaDaN/2=ΦNI/2a我知道大家看不懂,我们只需要了解输出扭矩跟什么有关就行了。
     T’是通电线圈N根导体产生的扭矩总和(劲儿大小要看它)
    Φ是线圈扫描到的总磁钢的有效面积的总磁通(高中学过)
     N是通电导体的根数
     I/a是通电导体的电流(星形接法的电流公式)
     a是无刷电机线圈并联支路数(并联分出来的每一个分支)
}
Else
   直接看我说
简单的说,扭矩的输出跟电机的线圈根数,磁钢的磁通(这里涉及到电机的外转子涉及、磁钢的选材),导体的电流等。其他的是专业领域的东西,咱说点听得懂得,我就说磁钢吧,下面我们竖着耳朵听,磁钢是外转子上面贴的一片一片的,NS间隔安装,至于磁钢,可以分为(铁氧体磁钢、黏结钕铁硼磁钢、烧结钕铁硼磁钢),市场上面叫卖的比较多的,如果稍微有点关注的就知道,钕铁硼,一般说的就是黏结钕铁硼,这是普遍的一种,市场上的区分会有GPM的牌号,对于物理性能也有国标进行区分,下表就是黏结钕铁硼的磁物理特性
2NH{BE8PF]}YZKJIISXW_F7.png
根据不同的进货渠道,不同的选材,做出来的电机当然有很大区别了。另外在说一句关于烧结钕铁硼的,这种材料中含有稀有金属成分,磁性非常强,做出来的电机体积小能效高,价格也非常贵,这就是发展稀土无刷电机的技术瓶颈。铁氧体(比如Fe3O4一类的)磁性略差,价格也便宜,现在基本要被淘汰了。


楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-9 来自 54#
3省电,大家都懂的,要想续航必须先省电,那么在输出扭矩相同的情况下怎么样才能省电呢?马儿劲儿大了,能不能少吃点草?
IF you看的懂
{
上面必须要公式,没办法,不然下面没法说,这里简明扼要的说吧,电机输入的两要素是电压U和电流I,高中学过,我说的既然是输入,我们就不说电流电压在电机运转过程中的具体情况了。输出两要素是扭矩T与负载转速n,输出功率P=Tn/9.4593,是否发现这里问题就来了,要想省电,那么额定电压相同,电流就要小,电流小输入功率就要小,那么输出功率T为扭矩n为负载转速必然也会小。
这里的负载转速有一定的意义上大家可以与KV值挂钩,这个有一定关系,所以同样的电压,我们通过不同的方式,就会出现高扭矩低转速,或者低扭矩高转速的,这回大家都懂了吧。
另外还要提到输入功率和输出功率之间的损耗,这就是电机的效率,其中掺杂一些,线阻铜损耗,晶体管(mos管管压降,内阻等)损耗,二极管损耗(相对来说比较小),磁滞损耗,涡流损耗,风摩损耗,轴承摩擦损耗等。
}
Else这个没有选择,你必须回去看
好吧,我们做一个总结:

无刷电机的效率的影响因素,我们初步分析(记住,只是初步),磁钢的选材(影响磁通量),线圈的选材(这个跟铜的纯度有关,铜的纯度影响内阻),电机外转子结构设计有至关重要的影响。至于那些线圈的匝数,其实都可以通过公式计算,得出能效最高的时候的匝数。因为很多用料,我们是没办法分辨的,那么我们购买电机的时候就要********,我擦,怎么被和谐了!@DJI-***,帮我看一下为什么被和谐了?

楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-9 来自 55#
至于为什么我跟大家花这么一大圈去讲磁钢,讲选料,讲工艺,其实说白了只是想让大家知道,有些厂家电机好,好的原因在哪里。(另外,好和贵不是绝对正比的)
既然这是DJI论坛,总感觉有人拿着刀我夸它呀,但是我想说,楼主是很有节操的,从来不做广告的!
“楼主,为什么我的精灵三拥有着表的颜值 搭载4K高清摄像头三轴无刷增稳云台双模GPS单目定位超声波定高内置高清图传超强大的飞控还特码支持SDK拓展,这么沉重的任务量居然还能飞25!!!分钟,你能不能讲解一下它的动力系统是有多牛逼?
楼主,楼主,楼主?
WI686C~4KT2US{PFNGRBV$D.png 兔崽子有种你别跑”

神思铭  Osmo认证用户 2015-12-1 5#
给楼主默默点个赞
jingrongren  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-1 6#
你可以把几个段落之间打回车键,提升排版的美观度。
能认真自己打字发质量帖的不多了。
除了山川大地,还有我的后脑勺。
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 7#
神思铭 发表于 2015-12-1 21:29
给楼主默默点个赞
谢谢,眼睛都快直了。。。。一个字一个字的敲。。。。。
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 8#
jingrongren 发表于 2015-12-1 21:33
你可以把几个段落之间打回车键,提升排版的美观度。
能认真自己打字发质量帖的不多了。 ...
受教了,下次发帖我注意点,哈哈。
jingrongren  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-1 9#
fly with you 发表于 2015-12-1 21:34
受教了,下次发帖我注意点,哈哈。
你可以直接点编辑。然后修改。
我自己的帖子修改十几遍都可能。。。
除了山川大地,还有我的后脑勺。
职业小飞手  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-1 10#
无刷电机
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 11#
后面更新步进电机,再打算科普一下伺服。
石榴姐  超级版主 2015-12-1 12#
fly with you 发表于 2015-12-1 22:01
后面更新步进电机,再打算科普一下伺服。
好贴必须赞,支持楼主啊,下次石榴姐特批你可以把字稍微放大一号啊哈哈。
微信关注“DJI大疆服务”,获取最全面的大疆产品教学视频,及时的售后服务动态,最实用的飞行指引和专业的技术支持,都在这里
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 13#
石榴姐 发表于 2015-12-1 22:19
好贴必须赞,支持楼主啊,下次石榴姐特批你可以把字稍微放大一号啊哈哈。
...
谢谢石榴姐,字改大了,对了,刚刚看了一个帖,说石榴姐是大美女耶!!!!
石榴姐  超级版主 2015-12-1 14#
fly with you 发表于 2015-12-1 22:28
谢谢石榴姐,字改大了,对了,刚刚看了一个帖,说石榴姐是大美女耶!!!!
...
大美女不敢当,充其量也就窈窕淑女一枚
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温柔的杀猪佬  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-12-1 15#
fly with you 发表于 2015-12-1 22:28
谢谢石榴姐,字改大了,对了,刚刚看了一个帖,说石榴姐是大美女耶!!!!
...
别闹!石榴姐已经跟我好了!
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-1 16#
温柔的杀猪佬 发表于 2015-12-1 22:44
别闹!石榴姐已经跟我好了!
。。。。那么多妹纸,春夏秋冬一大堆,你怎么就单单跟我抢石榴呢?乖,石榴留给我吧,我帮你找根香蕉。。。。
不得了  Phantom 3 Professional认证用户 2015-12-2 17#
不信……不信,速速現真身
不信……不信,速速現真身
不得了  Phantom 3 Professional认证用户 2015-12-2 18#
石榴姐 发表于 2015-12-1 22:39
大美女不敢当,充其量也就窈窕淑女一枚
不信……不信,速速現真身
japphell  Inspire 1 Pro认证用户 2015-12-2 19#
科学,专业,期待后续分享
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-2 20#
japphell 发表于 2015-12-2 11:41
科学,专业,期待后续分享
慢慢来喽,后续还有的更新
DJI-地瓜蔓儿   2015-12-3 21#
非常棒的技术贴,不过楼主是不是可以把你的图片再调整一下位置呢?左图、右图神马的真心不知道是哪张图呀,我们这儿只有上图、下图
CczzzQ  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-4 22#
点赞,不错哦
wqqtongg  Mavic 2 Pro认证用户 2015-12-4 23#
好贴!这样的贴不仅需要专业知识更需要发帖人的耐心和热心,飞友只要多了解这些知识,才会更深入了解我们手里的飞行器,保证其安全和守法飞行,赞一个
</strong>[color=DarkRed][b]wqqtongg[/b][/color] [color=Blue]20150430 have phanton 3 professional[/color]
2908705134@qq.c  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-12-4 24#
你们可以组建一个江南四大才对阵大疆美女!
白鸽  Goggles RE认证用户 2015-12-4 25#
谢谢科普,楼主辛苦了!
wang0000   2015-12-4 26#
技术贴,必须顶
大西瓜  Osmo Action认证用户 2015-12-4 27#
好专业,还能自己缠电机线
杉木  Phantom 3 Professional认证用户 2015-12-4 28#
赞科普贴,但表示看不懂。。我出去透透气去
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-4 29#
DJI-地瓜蔓儿 发表于 2015-12-3 11:26
非常棒的技术贴,不过楼主是不是可以把你的图片再调整一下位置呢?左图、右图神马的真心不知道是哪张图呀, ...
听你这么一说我果断拉上去看了一下,结果发现排版居然自动改变了,好神奇的说。。。。
楼主  Inspire 2认证用户 2015-12-4 30#
大西瓜 发表于 2015-12-4 14:56
好专业,还能自己缠电机线
自己折腾着玩儿的,本来只是想修好,后来就逐渐深学了
DJI-地瓜蔓儿   2015-12-4 31#
fly with you 发表于 2015-12-4 16:10
听你这么一说我果断拉上去看了一下,结果发现排版居然自动改变了,好神奇的说。。。。
...
是我改的。。
Banko   2015-12-4 32#
干货~收了再说~
23471684@qq.com  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-12-4 33#
楼主的应该是专业技术贴。我表示文科生根本看不懂。弱弱的问一句,完全能看懂的人很多?
dreamboyg@gmail  Osmo Mobile 2认证用户 2015-12-4 34#
专业的知识帖
以前的物理知识都还给老师了
gg123321   2015-12-5 35#
又是精品贴啊,坐等更新。
老顽童退休生活  Mavic Air认证用户 2015-12-5 36#
好技术启蒙贴!LZ辛苦啦。期盼谁能参考此贴把多轴的飞控介绍一下?
768675274   2015-12-5 37#
楼主拍个视频讲解一下
Fenixq  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-12-6 38#
感谢楼主的良心好帖
1485376393  Inspire 1 RAW认证用户 2015-12-7 39#
+1
speedchl  Mavic 2 Pro认证用户 2015-12-7 40#
楼主太牛了,把复杂问题很简单的表达出来了。谢谢 。
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