УДК 001.8

ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПОДВЕСА НА МУЛЬТИКОПТЕР

Высоцкий Вячеслав Александрович
Уральский федеральный университет имени первого Президента Б.Н.Ельцина

Аннотация
В данной работе проведен анализ среди двигателей для подвеса, который будет использоваться на мультикоптере. Выборка среди двигателей была проведена на основе технического задания.

Ключевые слова: двигатели, Мультикоптер, подвес, сравнение двигателей.


MOTOR SELECTION FOR HANGING ON MULTICOPTER

Vysotsky Vyacheslav Aleksandrovich
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin

Abstract
In this paper, an analysis of engines for the suspension, which will be used on the multicopter. Picks of the engines had been based on technical specifications.

Библиографическая ссылка на статью:
Высоцкий В.А. Выбор двигателя для подвеса на мультикоптер // Современная техника и технологии. 2014. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/04/3447 (дата обращения: 28.05.2017).

Целью моей работы, является создание подвеса для мультикоптера.

Мультикоптер – летательное устройство,  имеющее чётное (от 4 до 12) число винтов постоянного шага . Вращение винтов распределяется равномерно (через один), т.е. половина вращаются по часовой стрелке, а половина против. Управление мультикоптером,  заключается в мощности, подающейся на каждый из винтов.

Занимаясь разработкой данного программно-аппаратного комплекса, в первую очередь необходимо решить проблему выбора элементной базы.

В элементную базу входят: двигатели для регулировки поворота угла наклона (на каждую из осей по одному), датчики (акселерометр, барометр, гироскоп, магнитометр) для снятия параметров окружающей среды, контролер для управления подвесом и расчета угла поворота и т.д.

Задачи, которые должен выполнять подвес.

1)      Стабилизация полезной нагрузки (фото и видео аппаратура).  Единственный вариант, который можно предложить для стабилизации – это подавать нужное напряжение на каждый двигатель, тем самым изменяя угол (угол поворота ограничен конструкцией  мультикоптера, а именно, по всем осям,  расчетные 80º, практические 10-20º, а так же конструкцией подвеса: 360º – вокруг горизонта и  20-30º – крен и тангаж) отклонения и приводя изображение камеры к нормали.

2)      Обмен данными с базовой станцией. 

3)      Обработка данных с датчиков (расчет расстояния относительно земли и уровня моря, определение направление мультикоптера, установление места и координат нахождения, расчет угла поворота мультикоптера и подвеса, расчет скорости и ускорения перемещения).

4)      Взаимодействие с контроллером мультикоптера для расчета угла поворота подвеса относительно летательного устройства.

Темой данной статьи будет выбор двигателя, удовлетворяющего заданным потребностям, сравнение различных видов двигателей и выделение характерных черт.

 Критерии, которым должен соответствовать двигатель:

1)      Низкая стоимость.

2)      Номинальная мощность двигателя должна быть достаточной для обеспечения длительной работы механизма с полной нагрузкой.

3)      Вращающий момент двигателя должен обеспечивать пуск и разворот механизма до номинальной частоты вращения.

4)      Электродвигатели при необходимости должны допускать регулирование производительности и частоты вращения механизма в требуемых пределах.

5)      Простота оперативного управления.

6)      Минимальное энергопотребление.

7)      Высокая динамическая точность.

8)      Неприхотливость в эксплуатации.

9)      Ремонтопригодность.

В данной работе будет проведено сравнение следующих типов двигателей: коллекторный электродвигатель, бесколлекторный двигатель, сервомашинки, шаговый двигатель.

Надежность

1)      Шаговый двигатель:
Шаговые двигатели высоконадежны, так как в их конструкции отсутствуют изнашивающиеся элементы. Единственные ресурс, который подвергается изнашиванию в двигателе – это подшипники. Доказательством высокой надежности шаговых двигателей является тот факт, что при конструировании приводов необслуживаемых космических аппаратов, в большинстве случаев отдают предпочтение шаговым двигателям.

2)      Сервомашинка:
Современные бесколлекторные сервоприводы от известных производителей (Mitsubishi, Siemens, Omron  и т.д.) отличаются высокой надежностью, порой сравнимой с надежностью шаговых двигателей, несмотря на более сложное устройство сервопривода. Существуют и более простые модели сервоприводов – коллекторной конструкции (со щетками). Применение в своей структуре  коллекторного узла, уменьшает надежность сервоприводов данного типа. Но низкая надежность и необходимость периодического обслуживания сервомашинки, компенсируется низкой ценой. Хотя и у недорогих сервомашинок существуют свои негативные стороны, а именно неизбежные люфты в конструкции редуктора.

3)      Бесколлекторный двигатель:

Бесколекторный  двигатель, являясь предшественником шагового двигателя, а значит,  отличается высокой надежностью т.к. в конструкции имеется только одна изнашиваемая деталь – подшипник. И в отличие от шагового двигателя, бесколлекторный двигатель настолько надежен, что при незначительных ограничениях (не опускать контроллер и питание в воду) он может работать даже в воде.

Следовательно, самым надежным двигателем из представленных,  является бесколлекторный двигатель.

Эффект потери шагов:

1)      Шаговый двигатель:

Всем шаговым двигателям присуще свойство потери шагов. Данный эффект проявляется при выходе за допустимые характеристики двигателя, при неправильном управлении двигателем, а также при проблемах с механикой.

2)      Серводвигатель:
Эффект потери шагов у сервоприводов отсутствует, потому что в каждом сервоприводе имеется датчик положения (энкодер), который отслеживает положение ротора двигателя и при необходимости корректирует положение, так же существует обратная связь.

3)      Бесколлекторный двигатель:

У бесколлекторных двигателей на пониженных и повышенных скоростях  появляется эффект потери шагов, что схоже с проблемой у шаговых двигателей.

Следовательно, серводвигатель не имеет эффекта потери шагов, тем самым является лучшим среди представленных, по данному критерию.

Точность

1)      Шаговый двигатель:
Шаговые двигатели отличаются высокой динамической точностью из за наличия микрошагового режима. Обычно, на хорошей механике, рассогласование не превышает 20мкм (1 мкм = 0.001 мм). Но у шагового двигателя, неизбежно проявляется дискретность шага, следовательно, создаёт существенные вибрации, которые приводят к снижению крутящего момента и возникает эффект резонанса в системе. Уровень вибраций  можно уменьшить используя  режим дробления шага или увеличить количество фаз.

2)      Серводвигатель:
Высококачественные сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1-2мкм и выше. Для более высокой динамической точности применяют сервоприводы, предназначенные для  управления контурами (движение по двум или более осям под числовым программным управлением, задающим необходимое
положение и скорость подачи импульса к этому положению, эти скорости подачи изменяются взаимосвязано, что и образует заданный контур), которые точно отрабатывают заданную траекторию. Также существуют сервоприводы для позиционного управления. Приводы не предназначены для точной отработки траектории, они лишь точно попадают в конечную точку.

3)      Бесколлекторный двигатель:

Точность бесколлекторных двигателей ниже чем у шагового двигателя, но при равных условиях, рассогласование не превышает 32 мкм.

По точности лучший показатель у шагового двигателя в режиме микрошага, но в этом режиме существенно снижается крутящий момент и появляется эффект потери шагов. Следовательно, шаговый и бесколлекторный  двигатели являются равными по показателю точности.

Стоимость

1)        Шаговый двигатель:

В шаговых двигателях применяются дорогостоящие редкоземельные магниты, а также, ротор и статор изготавливаются с прецизионной точностью, и поэтому по сравнению с обыкновенными электродвигателями шаговые двигатели имеют более высокую стоимость.

2)      Серводвигатель:
В серводвигателях применяются дорогостоящие датчики положения ротора, а также достаточно сложный блок управления, что приводит к более высокой стоимости, чем у шагового двигателя.

3)      Бесколлекторный двигатель:

Модель управления шаговым двигателем сложнее, чем у бесколлекторного  трехфазного двигателя. Но при прочих равных элементах, цена бесколлекторного двигателя будет гораздо ниже, чем  у остальных двигателей.

Следовательно, бесколлекторный двигатель является самым бюджетным вариантом, среди предложенных.

Ремонтопригодность

1)      Шаговый двигатель:
У шагового двигателя может выйти из строя лишь обмотка статора, а её замену может произвести только производитель двигателя, иначе, если его самому разобрать и собрать он уже не будет работать. Потому, как при разборке двигателя происходит разрыв магнитных цепей внутри, что вызывает размагничивание магнитов, которые можно привести в первоначальное состояние только на специальной установке.

2)      Серводвигатель:
Поврежденный серводвигатель в большинстве случаев проще заменить, т.к. затраты и время на ремонт завышены. Ремонту в основном, подвергают только мощные двигатели, имеющие весьма высокую стоимость.

3)      Бесколлекторный двигатель:

Проблема схожа с шаговыми двигателями, но обмотки в обычном бесколлекторном двигателе меняются проще и даже самостоятельно без специального оборудования. Так же, после разборки и сборки двигателей, его характеристики не изменяются т.к. бесколлекторные двигатели изготавливаются  с гораздо меньшей точностью.

Как следствие, мы видим, что бесколлекторный двигатель гораздо проще и дешевле  ремонтируется.

Преимущества

Шаговый двигатель:

  • Высокая надежность.
  • Низкие требования к обслуживанию.
  • Относительно низкая цена.
  • Высокая динамическая точность (шаг 0.9, при режиме микрошага 0.09), за исключением потери шагов при микрошаговом режиме работы.

Серводвигатель:

  • Высокие динамические характеристики.
  • Отсутствие эффекта потери шагов.
  • Высокая перегрузочная способность.
  • Наличие обратной связи.

Бесколлекторный двигатель:

  • Высокая ремонтопригодность.
  • Наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса.
  • Широкий диапазон изменения скорости вращения.
  • Высокая надежность (конструкция бесколекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агрессивных средах).
  • Высокая частота вращения (Ограничения начинают работать на скоростях 35000 оборотов в минуту и выше).
  • Низкая цена.

Недостатки

Шаговый двигатель:

  • Падение крутящего момента на высокой скорости и микрошаговом режиме.
  • Низкая ремонтопригодность.
  • Возможность эффекта потери шагов.
  • Возникновение вибрации при работе.
  • Большая нагрузка на конроллер.
  • Частота вращения ограничена.

Серводвигатель:

  • Высокая цена.
  • Более сложное устройство.
  • Низкая ремонтопригодность.
  • Требуется более бережное отношение к двигателю.

Бесколлекторный двигатель:

  • Требуется точная балансировка полезной нагрузки.
  • Необходимость использовать специальный блок управления.

Вывод:

Основываясь на проведенном исследовании, выбор был сделан в пользу бесколлекторных двигателей, т.к. они подходят по своим техническим характеристикам, а именно: удельное соотношение массы и мощности; высокая точность, соотносимая с шаговым двигателем; самая низкая цена, среди предложенных; высокая надежность; самый легкий в ремонте, для решения нашей задачи.

Данный подвес может использоваться не только для мультикоптера, а так же для съемки на любом летательном устройстве и системе где необходима стабилизация фото и видео аппаратуры, для реализации ходьбы у робота и удержание позиции и т.д.



Все статьи автора «Mustafin»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: