Моторы для подвесов (olliw)
Перевод статьи про моторы подвесов.
Стабилизаторы для камер стали широко и дешево доступны с тех пор, как Alexmos почти десять лет назад показал, что для их создания можно использовать дешевые бесколлекторные радиоуправляемые моторы. В «высокое время» сборки бесколлекторных подвесов своими руками вся информация о том, какие двигатели являются лучшими и какие свойства искать, была описана во многих сообщениях на различных форумах (и я отвечаю за большое количество из них LOL), но - хотя эта информация, конечно, все еще там - эти знания стали как бы утерянными, поскольку они теперь «глубоко» похоронены в сети (ну, с правильными ключевыми словами они легко находятся в гугле, но …). Поэтому я решил написать об этом в этой статье.
1. Электрика: сопротивление.
2. Магнитный: Зубчатая передача и номер полюса.
3. Механический: трение.
4. Электрика: индуктивность.
5. Выводы.
Электрика: сопротивление.
По сути, по сравнению с обычным применением RC-моторов для хобби для вращения лопастей ротора, двигатели для стабилизаторов вращаются с пренебрежимо малой скоростью вращения.
На самом деле моторы не крутятся, в том смысле что они не крутятся вокруг - не совершают обороты. По большей части они стоят. Но для удержания позиции камеры, моторы совершают краткосрочные движения вперед - назад, поправляя позицию камеры в пространстве, относительно горизонта, на которую действуют всевозможные силы. Однако угловая скорость, с которой они это делают, намного меньше, чем угловая скорость вращающихся пропеллеров, которая может составлять 500-3000 оборотов в минуту. Для мотора подвеса, угловая скорость (усредненная по времени) фактически может быть безопасно принята равной нулю.
Это единственный, наиболее важный, фактор, который отличает обычный бесщеточный двигатель от стабилизатора: скорость вращения почти равна нулю.
Ключевое понимание может быть получено из простейшей модели, которую можно разработать для описания бесщеточного двигателя, которая также достаточно реалистична для этой цели:
где символы принимают обычное значение. Поскольку, как мы только что рассуждали, угловая скорость практически равна нулю, второй и третий члены в первом уравнении исчезают (w приблизительно равна 0), то получаем следующее:
Это очень просто, не правда ли! Что бы расчитать ток, все, что нам нужно сделать, это измерить сопротивление провода двигателя, узнать напряжение и применить закон Ома. Ну, эти двигатели трехфазного типа, и следовательно, вводится дополнительный фактор, но мы не будем касаться этой детали, так как она не имеет значения для нашей цели (учет фактора не изменит ни одного утверждения ниже). Мы приходим к такому выводу:
Ключевым фактором, который следует учитывать при выборе бесщеточного двигателя, является его сопротивление, а не значение KV.
Можно подумать, что низкое сопротивление это хорошо. Поскольку тогда может протекать больший ток, и двигатель может создавать больший крутящий момент. К сожалению, в игру вступает второй фактор, а именно то, что каждый двигатель может обрабатывать только определенное количество тепловой энергии, прежде чем он перегреется и сгорит. Для двигателя подвеса тепло в джоулях определяется выражением
Обычно для вращающегося двигателя большая часть электроэнергии преобразуется в механическую энергию, а не в тепло, и двигатель может принимать довольно большие токи. Однако для двигателя подвеса скорость вращения близка к нулю, и поэтому механическая энергия почти не вырабатывается, и, таким образом, вся электроэнергия уходит непосредтственно в тепло Джоуля. Соответственно, двигатель может выдерживать только относительно низкие токи без перегрева.
(не следует путать механическую мощность, которая есть Pмех=M/w, с крутящим моментом М, двигатель подвеса создает крутящий момент, но не механическую мощность).
Поэтому вы обнаружите, что при использовании в подвесе, двигатель нагревается уже при сравнительно низких токах. Тепло, которое может принять двигатель, для всех двигателей в основном определяется только его размером (= объем = масса = вес). То есть единственный способ получить более мощный двигатель - это использовать двигатель большей мощности.
Результат балансировки этих двух факторов:
Сопротивление получается около 10 Ом (2-20 Ом).
Это относится ко всем моторам, от моторов от микроподвесов до подвесов для больших камер. «Наилучшее» сопротивление зависит от напряжения, а также от того, используется ли схема возбуждения синусоидальная или FOC.
Полеориентированное управление (ПОУ, англ. field oriented control, FOC) - метод регулирования, который управляет бесщеточным электродвигателем переменного тока (СДПМ, АДКР), как машиной постоянного тока с независимым возбуждением, подразумевая, что поле и момент могут контролироваться отдельно.
Более низкое напряжение соответствует более низкому сопротивлению, а FOC также допускает более низкое сопротивление (там, где это действительно выгодно). Например двигатели подвеса Phantom P3 работают по схеме FOC при напряжении 5 В и имеют сопротивление около 2 Ом. Для больших подвесов сопротивлиние достигает до 20 Ом. Это дает вам диапазон от 2 до 20 Ом. Типичное правило: 10-15 Ом для синусоидальных праводов при напряжении 2s-4s, 5-10 Ом для приводов FOC при напряжении 2s-4s, 5-10 Ом для синусоидальных приводов при напряжении 5 В и 5 Ом для приводов FOC на 5 В.
Обратите внимание, что двигатели, используемые для вращения роторов, имеют как можно более низкое сопротивление, а их сопротивление находится в диапазоне мОм и, следовательно, в сотни и более раз меньше, чем требуется для двигателей подвесов. Таким образом, их нельзя использовать без перемотки. Однако дисковые двигатели, используемые в жестких дисках и подобных устройствах, обычно имеют сопротивление в диапазоне Ом и могут подходить как есть.
(если вы не уверены, используете ли вы синусоидальную схему или схему FOC в своем подвесе, это легко понять: если он использует энкодеры, это FOC, если нет, то синусоидальную)
Поскольку ток (или максимальный ток в случае схемы FOC) теперь задан (см. закон Ома) и почти одинаков для всех размеров двигателей подвесов, из этого следует, что больший крутящий момент может быть получен только двигателями с более низким значением KV (= больше константа крутящего момента k; k \propto KV^{-1}), т. е. двигатели большего размера. Таким образом, вы обнаружите, что чем больше подвес стабилизатора, тем больше должны быть двигатели. Что ж, в этом есть смысл, верно, и вы также найдете эту тенденцию для двигателей, используемых для вращения пропеллеров. В этом нет ничего удивительного. Однако ситуация и, следовательно, критерии проектирования двигателя действительно несколько отличаются, поскольку в случае двигателей подвесов речь идет о создании крутящего момента, а в случае вращающихся двигателей - о производстве механической мощности. В результате моторы подвеса намного больше (= тяжелее) для того, что они делают и что от них можно ожидать. Двигатели подвесов должны быть относительно большими, так как размер (= масса) - единственный способ справиться с теплом, и, как объяснялось ранее, вся электрическая мощность для них уходит непосредственно в тепло.
Магнитный: Зубчатая передача и номер полюса
Другим фактором, о котором следует беспокоиться, являются магниты, и ключевым фактором здесь является зубчатое зацепление. Поначалу это может показаться немного удивительным, так как первым фактором, который приходит на ум, вероятно, является количество полюсов двигателя. Тем не менее, шестерня также определяет, какое количество полюсов лучше, как вы скоро увидите.
Зубцы (заедание, шаг).
Зубчатость (шаг) двигателя описывает эффект, при котором количество крутящего момента, создаваемого двигателем, который может вращать нагрузку, зависит от фактического положения двигателя. Вы легко это почувствуете, когда возьмете мотор в руку и будете вращать его пальцем другой руки. Вы (для большинства двигателей) ясно почувствуете, что двигатель хочет защелкнуться в определенных положениях; это из-за заедания мотора.
Величина зацепления на самом деле не так и важна. Что наиболее важно, это то, насколько крутящий момент зубчатого колеса изменяется при изменении положения двигателя. То есть скорость изменения по отношению к положению двигателя. Это вносит нелинейность в контур обратной связи и любой ПИД регулятор с трудом справляется с этим. По сути, зубчатость означает, что оптимальная настройка ПИД регулятора зависит от положения двигателя, а поскольку в карданном подвесе положение постоянно меняется,
оптимальную настройку найти невозможно. То есть тюнинг обязательно хуже, чем мог бы быть.
Большинство людей идут на компромисс, то есть на настройку, которая такова, что для одних позиций настройка слишком слабая, для других слишком сильная. Это приводит к типичному рычанию при перемещении стабилизатора и проявляется в виде микровибраций на видео. Альтернативой является, как правило, слабая настройка, что, однако, означает, меньшую стабильность, которая на видео может проявляться как желе или эффект «пьяного моряка».
Видите ли, заедание нехорошо. К счастью, хорошо известно, как свести к минимуму иди даже избежать его. К сожалению, подавляющее большинство доступных нам подвесных моторов работают хуже всех.
Основным фактором является тип магнитов, исползуемых в двигателе. В основном их можно разделить на сборку «сильных магнитов» и «ферритовые кольца». Рациональное использования сборки магнитов простое: можно использовать сильные магниты, как NdFe, и, таким образом, значительно увеличить удельную мощность двигателя. И действительно, это то, что вы найдете во всех моделях двигателей RC, которые должны производить механическую энергию (например, вращающиеся лопасти). Однако эта конструкция обязательно производит много «зубцов». В качестве альтернативы можно использовать ферритовое кольцо, которое можно точно намагнитить по мере необходимости и свести к минимуму зубчатое зацепление. Эту конструкцию вы найдете в двигателях, которые должны вращаться как можно более постоянно, например, на жестких дисках.
Двигатели с фирритовым кольцом имеют гораздо меньшее заедание, чем двигатели с магнитным узлом.
Для наших подвесов мы, очевидно, захотим использовать ферритовые кольца. Как уже ранее говорилось большинство доступных нам подвесов представляют собой сборку (возможно большинство компаний просто имеют уже готовые решения и перематывают их под большие сопротивления). Визуальный осмотр часто позволяет это определить.
Другой метод минимизации зубчатого зацепления заключается в том, чтобы не использовать металлические пазы для статора, а использовать конструкцию без сердечника. Идеальным считается использование ферритового кольца без и конструкции без сердечника, что действительно обеспечивает нулевое зубчатое зацепление. Такие двигатели доступны и они слишком дорогие и особенные для нас (к такому типу относятся двигатели Maxxon, которые использовались в подвесах DJI Zenmuse). Крупные производители здесь имеют огромное преимущество.
Тем менее, ситуация не полностью потеряна. Доступны пригодные для использования двигатели с ферритовым кольцом, в основном в качестве запасных частей для коммерческих стабилизаторов, таких как, например, серии DJI Phantom, Mavic. Однако они обычно нуждаются в некоторой настройке, если кто хочет использовать их в самодельном подвесе. Время от времени на доступном для нас рынке появляются также двигатели стабилизаторов с ферритовыми кольцами, но их трудно идентифицировать, поскольку не упоминается в описании и из-за закрытой конструкции трудно увидеть тип магнита.
Количество полюсов.
Описывает, сколько магнитных южных и северных полюсов имеется в магнитом кольце. Для набора магнитов это легко определить, подсчитав видимое количество магнитов в кольце. Также ферритовые кольца намагничиваются таким образом, что у них на кольце чередуются северный и южный полюса, с определенным их количеством, которое является числом полюсов. Обратите внимание, что часто вместо этого обсуждается количество пар полюсов, которое, однако, составляет лишь половину количества полюсов.
Для двигателей подвеса мы, очевидно, захотим использовать ферритовые кольца. Как уже говорилось, достаточно это сложно определить для них. Но много есть моторов со сборкой магнитов и количество полюсов можно посчитать.
Двигатели с меньшим числом полюсов лучше, чем двигатели с большим числом полюсов.
Этого не понимали в первые дни создания самодельных подвесов и до сих пор иногда понимают неправильно. Считалось что двигатели с большим числом полюсов обеспечивают лучшее «угловое разрешение». (как у шаговых) и, следовательно, будет лучше. Однако это неверно. Обычно двигатели с большим числом полюсов имеют недостаток, заключающийся в большом эффекте зубчатого зацепления. Двигатели с большим числом полюсов также имеют большую индуктивность, что является еще одним недостатком (см. ниже). Таким образом, вывод ясен: меньше число полюсов лучше.
Наиболее часто встречающиеся количество полюсов - 14 в сочетании с 12 обмотками. Тогда магнит маркируется как 12N14P. (N для гаек, P для магнитов). Типичные высокополюсные двигатели имеют 22, 24, 28 полюсов, но встречаются подвесы с еще большим числом полюсов. В коммерческих подвесах, особенно в микроразмерах, часто можно найти меньшее количество полюсов - 9N8 или даже 4 магнита.
Это полезные обзоры подходящих комбинаций магнитов/обмоток:
● http://www.powerditto.de/Kombinationstabelle.html
● https://www.emetor.com/windings/
Механический: Трение
Еще одним важным фактором является механическое трение при вращении двигателя. К сожалению, несмотря на то, что это очень важный фактор, мы обычно ничего не можем с этим поделать, кроме как не использовать двигатели с большим трением.
Трение в основном производится в подшипнике оси двигателя. Это имеет катастрофические последствия для работы контура ПИД-регулирования, который лежит в основе любого контроллера карданного подвеса. Тогда ПИД-регулятор не может быть настроен на большие коэффициенты усиления, и это напрямую отражается на плохой стабильности камеры, которую потом вы видите на видео в виде желе или микровибраций. Таким образом, правилом может быть только использование двигателей с как можно более низким коэффициентом трения. Здесь у нас часто может быть небольшой выбор, но просто не следует использовать двигатели с большим трением. Подвес не будет работать должным образом, и единственным результатом этого будет потеря времени.
К сожалению, ответить на вопрос «Что такое большое трение?» непросто. Как правило, большие подвесы допускают большее трение, а для больших подвесов это часто не проблема. Маленькие карданные подвесы очень чувствительны к трению, и здесь это часто является серьезной проблемой.
Трение также может возникать из-за проводов, которые необходимы для подключения IMU и двигателей к контроллеру подвеса, а также из-за другой необходимой проводки. Однако это в значительной степени находится под нашим контролем, и мы можем (и должны) гарантировать, что этот источник трения будет минимальным.
Небольшое предостережение: сильное трение может придать двигателю плавность хода и скрыть заедание. На самом деле, кажется, что в некоторых двигателях производитель использует это, и можно подумать «вау, какой хороший двигатель». Но из вышесказанного должно быть ясно: это не так. Это может быть не плохой мотор, но это не хороший мотор в смысле этой статьи.
Электрика: индуктивность
Наконец, мы также должны обсудить актуальность индуктивности катушек двигателя. Однако этот фактор обычно не находится под нашим контролем. То есть у нас тут почти нет выбора, а приходится использовать те моторы, которые нам доступны и как подобраны по вышеуказанным критериям. Я имею в виду, что в конце концов нам нужно выбрать двигатель, и мы не можем просто исключить их все, верно. Таким образом, этот момент упоминается здесь для полноты и знания. Крупные производители подвесов снова имеют здесь определенное преимущество.
Выше утверждалось, что (усредненная по времени) скорость вращения практически равна нулю, и что индуктивность L выпадает. Это абсолютно оправдано для обсуждения производства энергии, но не для обсуждения динамики или пропускной способности системы. Последний говорит вам, до каких частот стабилизатор может стабилизировать камеру. Скорость видео 30 кадров в секунду или 60 кадров в секунду указывает на желаемую пропускную способность. Однако фактическая пропускная способность любого подвеса намного ниже, обычно 10 Гц и даже намного ниже для больших подвесов, и достижение желаемой полосы пропускания иллюзорно. Поэтому в основном имеет значение спад на частотах выше частоты среза, который должен быть как можно более плавным. Однако индуктивность добавляет еще один полюс к передаточной функции и, таким образом, делает спад более крутым. Частота, выше которой возникает этот дополнительный спад, определяется отношением R/L, которое показывает, что большая индуктивность является недостатком.
Как правило, двигатели с металлическими пазами имеют гораздо более высокую индуктивность, чем двигатели без сердечника. Кроме того, двигатели с большим числом полюсов, как правило, имеют более высокую индуктивность.
Следует отметить, что отрицательное влияние индуктивности можно в значительной степени преодолеть, если в драйвере двигателя использовать токовую петлю. Однако это подразумевает более дорогостоящую электронику и (намного) более сложную настройку для пользователя. Контроллеры подвеса, такие как STorM32 или BASECam/Alexmos, не используют токовую петлю. Он часто используется в высококачественных коммерческих стабилизаторах (по крайней мере, насколько я могу судить по имеющейся у меня ограниченной информации).
Выводы.
Насколько мне известно, в этой статье перечислены соответствующие факторы в порядке значимости. Чтение может создать впечатление, что для нас, сборщиков карданов своими руками, практически невозможно найти хороший двигатель. А для маленьких стабилизаторов, размером с GoPro и меньше, это - ИМХО - действительно так!
Это по крайней мере мой собственный опыт. За все эти годы, что я этим занимаюсь, мне ни разу не посчастливилось построить подвес, который бы меня действительно удовлетворил. В значительной степени это связано с ограниченными доступными мне механическими инструментами (ЧПУ или токарный станок были бы очень кстати), а в значительной степени также с сильно завышенными ожиданиями (на самом деле ожидания чрезвычайно возросли за эти годы, спасибо к DJI). Однако в конце концов я всегда возвращаюсь к выводу, что именно двигатели, которые я использую, снижают производительность (а в некоторых случаях даже портят ее). Единственным исключением были дисковые моторы PS2, которые я использовал для своих сборок микрокарданов, с которых я начал все свои усилия по подвесам. Даже по прошествии стольких лет это все еще лучшие карданные моторы, которые мне довелось использовать. Не случайно они были единственными с ферритовым кольцом, в то время как все остальные на моем стенде имели магнитные сборки. Итак, мои поиски идеального мотора для сборки хорошего (!!) подвеса меньшего размера все еще продолжаются :)
Из вышеперечисленных пунктов единственный, к которому, по-видимому, приспособились продавцы карданных двигателей, - это более высокое сопротивление, но во всех остальных пунктах они обычно не проверяют отметку. Мне совершенно непонятно, почему не каждый карданный двигатель на рынке может иметь ферритовые кольца, поскольку такие двигатели являются товаром в других областях. Очень грустно для нас, но это так, верно 🙂
http://www.olliw.eu/2020/brushless-gimbal-motors/