用于电机和螺旋桨测试的无人机试验台,用于自由飞行的风力发电机和无人机阻力测试

如何控制电机转速

专题文章by Tyto Robotics

在本文中Tyto机器人说明了如何增加(或降低)电机转速,电机转速方面的脉宽调制(PWM)占空比和电子转速控制器(ESC)输出电压,以及电机KV转RPM的计算。


电动机被用在许多工具和车辆上。在无人机和电动飞机中,它们通常由油门控制器和ESC控制。

当你增加控制器上的油门时,你所做的就是增加从电源(即电池)中提取的电量,并通过ESC馈送到电机。如果要减速电机,降低功率;如果你想让马达加速,就加大功率。

但是控制电机速度的机制是什么呢?

图1:安装在推力支架上的Xoar T110电机

如何增加(或减少)电机速度

控制电动机的速度就像控制输送给电动机的电量一样“简单”。在下一篇文章中,我们将假设我们正在研究一个没有加速度的稳态条件。

更准确地说,对于给定的机械负载(或电阻),是电压的增加导致速度的增加。或者,我们可以减少电机的负荷。

如果我们看这个角速度方程:

motor-speed-formula

地点:

ω =角速度
V=电压
T=转矩
Kᴛ电机转矩系数
R电阻/负载
Kᴇ=电机的反电动势常数

我们可以看到角速度(又名电机速度,又名RPM)与电压成正比,与扭矩成反比。

因此,如果我们想要增加电机的速度,我们可以a)增加输出电压或b)降低转矩。由于降低扭矩需要改变设计或负载,因此增加电压要简单得多。

该方程还表明,在恒定电压下,较高的扭矩导致较低的RPM。

我们还应该注意到,ESC内部有一些小的损耗,所以输入电压比电机的输出电压高,但通常只高几个百分点。

根据PWM占空比和ESC输出电压的电机速度

我们也可以描述这个改变电机速度的过程,在ESC协议用于提供电力。

例如,对于PWM,从控制器发送的值(以µs为单位)对应于可以发送到电机和ESC的最大电压的百分比。

以µs为单位的PWM值将在1000(无节流阀)和2000(全节流阀)之间。所有介于两者之间的值都有一个以µs为单位的信号长度,对应于0到100%之间的占空比。

在0%时,没有电力输送到ESC和电机。在100%时,电源不断输送到ESC和电机。

图2:安装在试验台上的Xoar TA130电机

Xoar TA130电机安装在试验台上

ESC制造商在此实现中存在差异。然而,占空比与电机转速之间的关系通常大致相当于ESC的平均输出电压。

ESC在每个相位上近似输出一个正弦波。在50% ESC输出时,正弦波的振幅约为100% ESC输出时正弦波的一半。请注意,大多数esc上的电子驱动器只有开关状态,因此实际信号不像完美正弦波那样平滑。

在电机和ESC制造商之间有许多变化,电子产品可能会引入非线性。对于实际应用,最好使用测功机来表征电机和ESC。

像Dshot和Oneshot这样的数字协议使用相同的占空比概念,但具有更快的信号传递和不同的信号传递模式。

占空比也可以写成0到1024之间的值。这是基于该技术是围绕8位控制器开发的事实。2个选项(开/关),8位系统→2¹⁰→1024。

该系统还可用于确定ESC的输出电压。

例如,796→78% ' on '相对于100%输出。

电机KV转转速计算

在空载情况下,可以根据所输送的电压,用电机的KV值来估计电机的转速。

正如我们的文章中所讨论的电机KV如何计算,我们可以用输入电压代替反电动势,来估计电机的转速。

motor-speed-kv-formula

让我们使用MAD Components的M50C35 EEE 9 KV电机举个例子。它的最大电压为400伏,KV额定值为9千伏。将这些数字代入公式,我们得到最大速度为:

motor-speed-kv-formula 2

所以在最大油门,这台电机将旋转3600转。如果我们只施加75%的油门,对应于300v,它将以2700 RPM的速度旋转。

结论

正如本文所演示的,有几种方法可以提高电机速度。

最可行的方法是通过增加油门来增加电机的电压。你也可以减少扭矩,但这通常对无人机的设计或用途更具破坏性。

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