Моторы для дрона и ESC
Продолжение изначального поста. Напоминаю про дисклеймер: тут лекция для колхозников, а не для дачников, так что если вам что-то режет глаза - поделитесь своими знаниями.
Что получилось узнать про ситуацию с моторами для квадрокоптеров, условно до миллиона рублей.
Внутренняя структура
Во-первых, они все бесщеточные (brushless). Есть с щётками, но это для машинок и для чего-то ещё. Тут такие уже не встречаются.
Обмотки стоят на месте, вокруг них вращается железный ротор. Железный ротор иногда стараются сделать сразу вентилятором, чтобы он обдувал себя же и охлаждал.
Электроустройство
Во-вторых, они трехфазные.
Это значит что из мотора торчит три провода. Каждый из проводов соединен с двумя обмотками. Чтобы это вращалось, кто-то должен подать напряжение строго на нужную пару проводов, а третий оставить без напряжения. Когда мотор провернется на 120 градусов, надо переключить пару обмоток. Если сделать это сильно раньше, то мотор будет мешать вращению. Делать это сильно позже - снизится скорость и потеряется плавность.
Из того, что я понял (давайте сюда с конструктивными коментами): для снижения мощности и роста скорости можно чутка опережать движение ротора по фазе. Для повышения мощности ценой некоторой скорости можно уменьшить опережение по фазе. Короче, ничего нового по сравнению с ДВС, только клапана меньше пригорают.
Получается, что остановить мотор или резко развернуть его в противоположную сторону - это просто вопрос выбора фаз на трех проводах. Да, дрон можно перевернуть в воздухе и успеть начать вращать моторами в другую сторону до того, как он шлепнется. Полагаю, что пилотирование в таком режиме может стошнить из-за несовпадения визуальных и вестибулярных ощущений.
Что тут важно: просто подать напряжение на мотор нельзя, это не щеточный мотор, у которого переключение происходит механически щетками. Тут надо успевать рулить фазами, а учитывая что дрон не втыкается в трехфазную розетку, надо откуда-то из постоянного тока родить трехфазное электричество заданной плавающей частоты.
Я дома регулировал вентилятор трехфазным частотным регулятором и это дорогая и сложная штука, а тут оно спрятано в малюсенькую плату ESC, которая успевает жонглировать фазами, а ещё и рассказывать назад, чего происходит с мотором. Просто фантастика!
У трехфазного мотора есть смешное и неожиданное потребительское качество: смена направления осуществляется просто перепайкой одной пары проводов. Из-за этого на некоторых контроллерах нет опции смены направления в софте, это предлагается сделать паяльником в процессе проверки моторов на собранном дроне.
Скорость вращения и крутящий момент
У моторов не так много характеристик, а публикуемых ещё меньше. Основная доступная характеристика это KV. KV - это сколько оборотов в минуту дрон делает на одном вольте напряжения.
В механику я не вник, но чем ниже KV, тем круче мотор. Насколько я успел разобраться, низкий KV повышает крутящий момент. Чем выше крутящий момент, тем лучше и плавнее за счёт физики мотор реагирует на неоднородности воздуха, тем больший пропеллер он может вращать. Низкая скорость вращения - тише, меньше завихрений, меньше потерь.
Для спорта такое не очень любят, никому не нравится дрифтить на минивэне, а вот слетать на вулкан - очень даже пригодится.
Хорошие цифры для средненормального полета - от 1000 KV до 2200 KV. Всё это по моим субьективным критериям, конечно. Когда в новостях показали новосибирскую команду, которая собирает моторы на 12 000 KV, то я немного удивился: такой мотор шумный. Возможно журналисты так неудачно выхватили картинку, так что пожелаем успехов ребятам в расширении номенклатуры, я с радостью закажу наши моторы на озоне вместо алишечки.
Откуда берется разная скорость вращения? Да всё из контроллера, который успевает переключать положение обмоток, а KV - это просто максимум, который выдаст этот мотор в силу своей конструкции. Зато тут возникает важный момент с выбором батарейки, которая бывает от 11 до 22 вольт, но об этом потом.
Крепление пропеллеров
В вопросе крепления пропеллеров очень не хватает стандартизации, чтобы появился пятнадцатый конкурирующий стандарт.
Есть масса удобных хороших проприетарных стандартов на легкосъёмные пропеллеры, на складные, но для широкого использования в FPV используют самый примитивный вариант с валом и гайкой одного направления.
На некоторых моторах можно встретить разнонаправленную резьбу: один мотор вращается в одну сторону, другой в другую. Соответственно, если пальчиком прижать гайку и чуууточку подать скорости, то гайка должна закрутиться до конца, а не влететь в некогда белый потолок, на котором ещё даже следов от лопастей пока ещё нет (и вообще не запускайте коптер в помещении, без очков и всё такое. Ну хотя бы за стекло отойдите).
На том, что можно встретить в классе fpv, чаще всего просто обычная правая резьба, соответственно с собой тюбик фиксаторов для резьбы, желательно ключ для мотора, комплект гаек (они все с одноразовой тефлоновой вставкой, которая живет первые 20 закручиваний). Фантастически неудобно.
Крепление моторов
Есть несколько разных формфакторов крепления моторов, но 4 болта самое частое. К мотору или раме могут прилагаться разные болты, это ваша задача подобрать их длину, чтобы не пробить обмотку. Помните: готовый к полету fpv дрон - это значит, что руду в домне за вас уже переплавили, но не наглейте со своими ожиданиями.
ESC
Electronic speed controller, это та штука, которая успевает переключать напряжения на обмотках с нужной скоростью. Да, это жонглирование на скорости в несколько тысяч раз в секунду. Этим занимается отдельный микропроцессор, что-то из STM32.
Сегодня чаще всего на этих приборах встречается прошивка под названием blheli, которая типа открытая, но на вроде как закрытая, без исходников. Я даже не изучал глубже, потому что мне туда и нос совать непонятно зачем.
Так что надпись blheli_32 означает что перед вами просто современный актуальный контроллер.
Это силовая штука, умеет выгорать, так что размещение его на одной плате с полетным контроллером звучит очень заманчиво, очень экономично по весу, но мне кажется что это плохая идея хотя бы потому, что выгорает оно всё.
Некоторые даже предпочитают раздельные контроллеры, которые ставятся по одному на каждый мотор. Они стоят дешевле и ремонтируются раздельно. Короче баланс между ремонтопригодностью и технологичностью сборки: чем дешевле (интегральней)/легче изделие при тех же характеристиках, тем тяжелее чинить.
Управление скоростью
Управление скоростью вращения мотора происходит в этом самом ESC, который жонглирует фазами. А вот управление ESC происходит через проводок управления, по которому приходит команда на выбор скорости.
В древности, когда люди ещё не успели изобрести колесо, использовалось аналоговое управление PWM/ШИМ. Я предлагаю это не обсуждать вообще, оно устарело, не имеет никакого практического смысла, потому что плохо, больно, сложно и ничего в нём хорошего.
Сегодняшние контроллеры работают по цифровому протоколу dshot и получают команду на выбор скорости вращения с полетника.
Всё что делает квадрокоптер с собой в воздухе - это всё только и исключительно выбор скорости вращения моторов. Он успевает поменять её несколько сот раз в секунду, человек на такое неспособен.
Моторы крепятся на раму, а что я про эти рамы узнал, расскажу в следующий раз.