涨姿势丨航模电机及驱动的原理

电念头有有刷和无刷之分。布局上,无刷电机和有刷电机有相似之处,也有转子和定子,只不过和有刷电机的布局相反;有刷电机的转子是线圈绕组,和动力输出轴相连,定子是永磁磁钢;无刷电机的转子是永磁磁钢,连同外壳一路和输出轴相连,定子是绕组线圈,去掉落了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷,故称之为无刷电机(Brushless motor)。

有刷电机

有刷电念头是内部含有换相电刷的电念头。什么是电刷呢,直接上图。电刷经由过程绝缘座固定在电念头后盖上,将电源的正负极引入到转子的换相器上,而换相器连通了转子上的线圈,线圈极性赓续的交替变换与外壳上固定的磁铁形成感化力而迁移转变起来。下图是将现在Crazepony应用的电机拆解之后看到的电刷和换相器。

涨姿势丨航模电机及驱动的道理

有刷电机因为电刷和换相器之间的物理打仗,以是有摩擦大年夜,发烧大年夜,效率低等毛病。然则有刷电机同样具有制造简单,资源低廉的优点,以是现在市道市面上有刷电机仍旧占领很大年夜份额。

无刷电机

有刷电机经由过程电刷和换相器这种布局设计得到固定偏向的磁场感化力而迁移转变起来。无刷电机没有电刷和换相器,它是若何得到固定偏向的磁场感化力的呢?简单而言,寄托改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形,在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心扭转的磁场,这个磁场驱动转子上的永磁磁钢迁移转变,电机就转起来了。

电机的机能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大年夜小等身分有关,更与无刷电机的节制机能有很大年夜关系,由于输入的是直流电,电流必要电子调速器将其变成3订交流电,这便是无刷电机共同的电调必要办理的问题。

无刷电机拥有动力足,寿命长,效率高等上风。以是大年夜四轴都是用无刷电机的,模型无刷电机的外不雅如下,差别于有刷电机,最显着的便是无刷电机有三根线,并且共同电调应用。

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电机之空心杯

空心杯电机(coreless motor)属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电机在布局上冲破了传统电机的转子布局形式,采纳的是无铁芯转子。空心杯电机具有十分凸起的节能、节制和拖动特点。

空心杯电机分为有刷和无刷两种,有刷空心杯电机转子无铁芯,无刷空心杯电机定子无铁芯。

Crazepony应用的是有刷空心杯高速电机(30000转/分),7mm*16mm,电机轴直接为1mm。当然,跟着现在临盆工艺的进步,现在市道市面上已经有体积异常小的航模无刷电机,Crazepony也会考试测验应用无刷电机进行改进。

Crazepony空心杯高速电机拆解图,可以显着看到线圈中心没有铁芯的。

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关于无刷直流电机道理的解说。

电机驱动节制便是节制电机的迁移转变或者竣事,以及迁移转变的速率。电机驱动节制部分也叫做电子调速器,简称电调,英文electronic speed controller(ESC)。电调对应应用的电机不合,分无刷电调和有刷电调。

有刷电机的永磁体是固定不动的,线圈绕在转子上,经由过程一个电刷跟换相器打仗间断来改变磁场偏素来维持转子持续迁移转变。无刷电机,顾名思义,这种电机是没有所谓的电刷和换相器的,他的转子是永磁体,而线圈是固定不动的,直接接到外部电源,问题就来了,线圈磁场偏向怎么改变呢?事实上,无刷电机外部还必要一个电子调速器,这个调速器说白了便是一个电机驱动,它随时都在改变着固定线圈内部电流的偏向,包管它跟永磁体之间的感化力是互相排斥,持续迁移转变得以延续。

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有刷电机事情可以不必要电调,直接把电提供电机就能够事情,然则这样无法节制电机的转速。无刷电机事情必须要有电调,否则是不能迁移转变的。必须经由过程无刷电调将直流电转化为三订交流电,输给无刷电机才能迁移转变。

一样平常应用PWM的占空最近节制电机的转速。

Crazepony电机驱动

无刷电机的操作相对来说是对照麻烦的,而有刷电机便是我们小时刻玩的四驱车上的那种电机,接上电就能猛转,反着接它就反着猛转,便是这么简单。

Crazepony应用的是有刷空心杯电机,以是电机的节制属于有刷直流电机节制。相对付无刷电调来说要简单很多,以是电调我们就默认指无刷电机的电调,而这里只用电机驱动来代替。Crazepony采纳的是有刷空心杯高速电机,转速在3W转/分钟阁下。要驱动有刷电机,很简单,只必要将旌旗灯号的驱动能力增大年夜,就能驱动有刷电机了。

那么选择什么元件来供给这样的特点呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管,中功率管的掉败,着末选用的是场效应管(即MOSFET)SI2302。

因为笔者完全是因为一种强烈的喜欢选择了飞行器,最开始连有刷电机和无刷电机的物理布局差别都不知道,电调又是啥?傻傻分不清楚……用的三极管作为电机驱动,采纳很经典的共射电路“三极督事情在开关状态应该就行了吧?”画了用三极管驱动的PCB板,发明电机越转越慢,根本没劲。“大概是由于三极管扛不了大年夜电流,好吧那我换其中功率管吧,集电极最大年夜6A电盛行了吧?”可以想象结果是不可的。

涨姿势丨航模电机及驱动的道理

首先懂得下为什么三极管作为简单的电机驱动是弗成取的规划: * 三极管作为一个古老的半导体前驱,它因此一个放大年夜器件的姿态而呈现的,它在线性区域特点集中,饱和与截止都是两种极度的事情状态,而作为电机驱动的话,我们只能选择它的这两种极度事情模式。 * 用三极管作为大年夜电流负载的驱动管时,不得不斟酌的是他自身的管压降对负载的影响,这是很严重的。自身耗散越来越大年夜,电机和管子是串联关系,电池电压只有3.7V,电机就只能越转越慢了

在晶体管家族里面还有一种跟三极管特点互补的,所有特点都集中在开关状态的晶体管,场效应管,即MOSFET。平日的场效应管完全导通时,源漏极电阻都是mΩ级其余,即它自身的耗散异常小。用它做为驱动管再相宜不过了。终极选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs<4v的场管(SI2302),结果体现出了很好的驱动机能。

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每个场效应管接一个大年夜电阻下拉,目的是为了防止在单片机没接手电机的节制权时,电机因为PWM旌旗灯号不稳定开始猛转。接一个下拉电阻,包管了场管输入旌旗灯号要么是高,要么是低,没有不确定的第三种状态。那么电机也只有两种状态,要么转,要么不转。主控输出的是PWM波形,用于节制场效应管的关闭和导通,从而节制电机的迁移转变速率。这便是crazepony电机驱动的道理。便是这么简单。

无刷电调(读做tiao)

在《电机与桨叶》一文中,我们提到大年夜四轴基础上都是应用的无刷电机,无刷电机节制必须共同电调应用。

电调的输入是直流,平日由锂电池来供电。输出是三订交流,可以直接驱动电机。别的航模无刷电子调速器还有三根旌旗灯号输入线,输入PWM旌旗灯号,用于节制电机的转速。对付航模,尤其是四轴飞行器,因为其特殊性,必要专门的航模电调。

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那么为什么在四轴飞行器上必要专门的电调呢,其有什么特其余地方?四轴飞行器有四个桨,两两相对呈十字交叉布局。在桨的转向上分正转和反转,这样可抵消单个桨叶扭转引起的自旋问题。每个桨的直径很小,四个桨迁移转变时的离心力是分散的。不像直机的桨,只有一个能孕育发生集中的离心力形成陀螺性子的惯性离心力,维持机身不轻易很快的侧翻掉落。以是平日用到的舵机节制旌旗灯号更新频率很低。

四轴为了能够快速反映,以应对姿态变更引起的飘移,必要高反映速率的电调,老例PPM电调的更新速率只有50Hz阁下,满意不了这种节制所必要的速率,且PPM电调MCU内置PID稳速节制,能对老例航模供给顺滑的转速变更特点,用在四轴上就分歧适了,四轴必要的是快速反映的电机转速变更。用高速专用电调,IIC总线接口传送节制旌旗灯号,可达到每秒几百上千次的电机转速变更,在四轴飞行时,姿态时候能够维持稳定。纵然受到外力忽然冲击,依旧安然无事。(AOPA云:何文思)

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