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.