ทำไม brushless Motors ถึงมีค่า kv?

ฉันสงสัยว่าทำไมมอเตอร์แบบไร้แปรงเช่นตัวที่ใช้สำหรับควอดเทอร์มีพิกัด kv ซึ่งหมายถึง RPM ต่อแรงดันไฟฟ้าข้ามมอเตอร์ ดังนั้นมอเตอร์ 2300 kv หมุนที่ 2300 รอบต่อนาทีถ้าใช้ "1 โวลต์" กับมัน

ส่วนในวงเล็บไม่สมเหตุสมผลสำหรับฉัน ESC สร้างกระแส AC 3 เฟส และจากสิ่งที่ฉันเข้าใจความถี่ของรูปคลื่น AC กำหนดความเร็วของมอเตอร์อย่างสมบูรณ์และแอมพลิจูด (แรงดันสูงสุดลบแรงดันราง) ของรูปคลื่นนั้นมีค่าคงที่มากหรือน้อย สำหรับฉันดูเหมือนว่าแรงดันไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการกำหนดความเร็วของมอเตอร์แบบไร้แปรง

แรงบิดของมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสมอเตอร์ (ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า!) และกระแส (I) เท่ากับประมาณ

เมื่อ V คือแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ R คือความต้านทานของขดลวดและεคือแรงเคลื่อนไฟฟ้าสำรอง (back EMF)

KV และ EMF ด้านหลัง

EMF ด้านหลังคือแรงดันไฟฟ้าที่จะปรากฎที่ขั้วมอเตอร์เมื่อมอเตอร์หมุนโดยไม่มีสิ่งใดเชื่อมต่ออยู่ แรงดันไฟฟ้านี้ผลิตโดยมอเตอร์ที่ทำหน้าที่เป็นอัลเทอร์เนเตอร์ถ้าคุณต้องการและมันจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร็วในการหมุน การจัดอันดับ KV นั้นไม่มีอะไรนอกจากเป็นอีกวิธีในการระบุความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วในการหมุนและ EMF ด้านหลัง (KV ≈ RPM / ε) มัน จำกัด ความเร็วมอเตอร์สูงสุดที่แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่กำหนดเนื่องจากความเร็วที่ขึ้นอยู่กับ KV บางส่วนนั้น EMF ด้านหลังจะ "ยกเลิก" แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ สิ่งนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้าสู่มอเตอร์และลดแรงบิดให้เป็นศูนย์

เมื่อคุณเปิดมอเตอร์ครั้งแรกความเร็วจะเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่า EMF ด้านหลังเป็นศูนย์เช่นกันดังนั้นสิ่งเดียวที่ จำกัด กระแสมอเตอร์คือความต้านทานการพันและแรงดันไฟฟ้า หากตัวควบคุมมอเตอร์ (ESC) ส่งสัญญาณแรงดันแบตเตอรี่เต็มไปยังมอเตอร์ด้วยความเร็วต่ำมอเตอร์และ / หรือ ESC จะละลายลง

แรงดันไฟฟ้าความถี่คันเร่งและความเร็ว

ในชุดควบคุมมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านแบบปิดความเร็วมอเตอร์ (ซึ่งความถี่เอาต์พุตเป็นฟังก์ชั่น) ไม่ได้ถูกควบคุมโดยตรง เค้นแทนการควบคุมแรงดันเอาท์พุทและ ESC ปรับความถี่เอาท์พุทอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนเฟสระหว่างมุมของโรเตอร์และรูปคลื่นของไดรฟ์ เฟสของ EMF ด้านหลังจะบอก ESC ไร้เซนเซอร์โดยตรงกับมุมกระแสของโรเตอร์ในขณะที่ ESC ที่สัมผัสได้นั้นใช้เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟ็กต์เพื่อจุดประสงค์เดียวกัน

การทำสิ่งต่าง ๆ รอบ ๆ (การตั้งค่าความถี่โดยตรงและควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนเฟสที่วัดได้) จะกลายเป็นการปรับสมดุล:

• การตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าต่ำเกินไปจะทำให้กระแสน้อยเกินไปไหล จำกัด แรงบิด หากแรงบิดลดลง แต่ภาระยังคงอยู่อย่างต่อเนื่องมอเตอร์จะต้องชะลอตัวลงทำให้สูญเสียการซิงค์ทันที

• แรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไปจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลมากเกินไปสูญเสียพลังงานและทำให้มอเตอร์และ ESC ร้อนโดยไม่จำเป็น

ดังนั้นจุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดจะไม่เสถียรด้วยการควบคุม "ความถี่แรก" ลูปควบคุมสามารถทำให้มันปิดได้ แต่หาก ESC ไม่สามารถตอบสนองได้เร็วพอที่จะเกิดการสูญเสียการซิงค์ชั่วคราว สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงสำหรับการควบคุม "แรงดันแรก" ซึ่งการโหลดชั่วคราวจะทำให้ความเร็วลดลงชั่วขณะโดยไม่มีผลกระทบใด ๆ

ESCs ที่ใช้ในเฮลิคอปเตอร์ RC แบบกลุ่มมักจะมีฟังก์ชั่น "ผู้ว่าการ" ซึ่งจะรักษาความเร็วมอเตอร์คงที่ตามสัดส่วนของการตั้งค่าเค้น แม้แต่ ESCs เหล่านี้ก็ไม่ได้ควบคุมความถี่โดยตรง แต่ใช้ตัวควบคุม PID ซึ่งตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อความแตกต่างระหว่างความถี่ที่ต้องการและความถี่ที่แท้จริง

ESC "เวลา"

การตั้งค่าเวลามอเตอร์ของ ESC จะปรับค่าจุดเปลี่ยนของการเลื่อนเฟสแบบกลไกทางไฟฟ้า: ช่วงเวลาที่สูงหมายความว่าเอาต์พุต ESC นำไปสู่ตำแหน่งที่โรเตอร์สัมผัสได้เช่น 25 องศาในขณะที่ช่วงเวลาต่ำการเลื่อนเฟสนี้จะอยู่ใกล้ศูนย์มาก การตั้งค่าไทม์มิ่งสูงให้พลังงานที่มีประสิทธิภาพน้อยลง

แรงบิด

RC ESC แบบปกติไม่สามารถควบคุมแรงบิดคงที่หรือ จำกัด แรงบิดได้เนื่องจากไม่มีวงจรตรวจจับกระแสไฟฟ้าในการวัดค่าใช้จ่ายและน้ำหนัก แรงบิดไม่ได้ถูกควบคุม แต่อย่างใด มอเตอร์จะสร้างแรงบิดให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้และดึงกระแสได้สัดส่วนตามที่โหลดต้องการด้วยความเร็วที่กำหนด เพื่อป้องกันการเจาะเค้นอย่างรวดเร็วจากการบรรทุกเกินพิกัด ESC, แบตเตอรี่และ / หรือมอเตอร์ (เมื่อเอาชนะแรงเฉื่อยก่อให้เกิดแรงบิดไม่ จำกัด ), ESC มักจะมีข้อ จำกัด ในการเร่งความเร็วและแรงดันไฟฟ้าที่ความถี่ที่กำหนด

เบรก

หากมอเตอร์ยังคงหมุนด้วยวิธีภายนอกในขณะที่แรงดันไฟฟ้าลดลงในที่สุด EMF ด้านหลังจะใหญ่กว่าระดับที่ ESC พยายามขับ สิ่งนี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลบและเบรกมอเตอร์ กระแสไฟฟ้าที่ผลิตออกมานั้นจะกระจายไปในขดลวดมอเตอร์หรือป้อนกลับเข้าไปในแหล่งจ่ายไฟ / แบตเตอรี่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโหมดการสลายตัวของ PWM ที่ใช้

ESC สร้างกระแส AC 3 เฟส และจากสิ่งที่ฉันเข้าใจความถี่ของรูปคลื่น AC กำหนดความเร็วของมอเตอร์อย่างสมบูรณ์และแอมพลิจูด (แรงดันสูงสุดลบแรงดันราง) ของรูปคลื่นนั้นมีค่าคงที่มากหรือน้อย สำหรับฉันดูเหมือนว่าแรงดันไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการกำหนดความเร็วของมอเตอร์แบบไร้แปรง

ขออภัย แต่ทั้งหมดนี้ผิด มอเตอร์ที่ใช้ใน quadcopters คือ Brushless DC motors (BLDC) ซึ่งเทียบเท่ากับมอเตอร์ DC แบบแปรง แต่มีการเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์

ความเร็วของมอเตอร์จะถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้า ('back-emf') ที่มอเตอร์สร้างขึ้นเมื่อมันหมุนไม่ใช่ความถี่เปลี่ยน (ซึ่งจะต้องทำตามในขั้นตอนล็อคด้วยการหมุนของมอเตอร์หรือไม่หมุน) มอเตอร์ BLDC มีแม่เหล็กถาวรดังนั้นแรงเคลื่อนกลับจึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับรอบต่อนาที แรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ลบด้วยแรงดันลบข้ามความต้านทานการพันและการเหนี่ยวนำและมอเตอร์จะเร่งความเร็วหรือลดความเร็วลงเนื่องจากจะดึงกระแสที่ต้องการเพื่อสร้างแรงบิดที่ดูดซับโดยโหลด - เหมือนกับมอเตอร์ DC แปรง

ESC ควบคุมความเร็วมอเตอร์ด้วยการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ โดยทั่วไปแล้วจะทำด้วย PWM ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เสมอ แต่แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ย (ซึ่งมอเตอร์ตอบสนอง) จะแตกต่างกันไปตามอัตราส่วนการเปิด / ปิด PWM ESC สร้างความถี่ของการเปลี่ยนใด ๆ ก็ตามที่มอเตอร์ต้องการมันคล้ายกับวิธีที่กระดองในมอเตอร์ที่แปรงทำให้เกิดการเปลี่ยนที่ความถี่ที่ต้องการ

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้มีทุกอย่างเกี่ยวกับความเร็วมอเตอร์ นี่คือเหตุผลที่มอเตอร์เหล่านี้มีพิกัด Kv - เป็นพารามิเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการกำหนดสิ่งที่รอบต่อนาทีสามารถทำได้ด้วยแรงดันเฉพาะ เนื่องจากกำลังที่ใบพัดดูดได้นั้นเป็นสัดส่วนกับกำลังที่ 3 ของรอบต่อนาทีและกำลังของเสาที่ 4, Kv เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญเมื่อทำการจับคู่ส่วนประกอบของ quadcopter

ค่า Kv ที่ระบุควรเป็น rpm ตามทฤษฎีที่ 1V เมื่อมอเตอร์ไม่ได้วาดกระแสไฟฟ้าใด ๆ อย่างไรก็ตามมันถูกคำนวณโดยทั่วไปโดยการหารเพียงแค่ไม่มีโหลดรอบต่อนาทีที่วัดได้ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ซึ่งให้ค่า (ไม่ถูกต้อง) ที่ต่ำกว่าเล็กน้อย และเช่นเดียวกับความเร็วของมอเตอร์แปรงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเลื่อนแปรงดังนั้น ESC แบบไร้แปรงสามารถเพิ่ม Kv ที่มีประสิทธิภาพของมอเตอร์ BLDC โดยการเพิ่มความเร็วในการเปลี่ยนเวลา เพิ่มความคลาดเคลื่อนในการผลิตและการควบคุมคุณภาพที่ไม่ดีและเป็นเรื่องปกติที่มอเตอร์จะมีค่า Kv จริงสูงกว่าหรือต่ำกว่าข้อกำหนด 20%

มอเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานอื่น ๆ มักจะไม่มีคะแนน Kv เนื่องจากไม่ถือว่ามีความสำคัญ อย่างไรก็ตามจะไม่มีการโหลดรอบต่อนาทีที่แรงดันเล็กน้อยซึ่งสามารถรับได้จาก Kv อาจระบุค่าแรงบิดของมอเตอร์ (Kt) Kv เป็นค่าผกผันของ Kt

ทำไม brushless Motors ถึงมีค่า kv?

"คะแนน kv" ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับแรงบิดกระแสไฟฟ้าแรงขับแรงยกหรือการลากที่คาดหวัง

• ข้อยกเว้นคือแรงบิดสัมพัทธ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามจำนวนของแม่เหล็กและจำนวนขดลวดสเตเตอร์ต่อการปฏิวัติเช่นเกียร์อัตราส่วนนี้สามารถแก้ไขได้ ดังนั้นในแง่หนึ่งมอเตอร์ขนาดเดียวกันที่มีค่า kv ค่อนข้างสูงนั้นถูกสร้างขึ้นเพื่อความเร็วที่มากขึ้นและการยกที่น้อยลง

มันขึ้นอยู่กับจำนวนของแม่เหล็กจำนวนขดลวดสเตเตอร์ต่อการหมุนจำนวนเฟสต่อขั้วและไม่มีข้อบ่งชี้ของพลังงาน

เป็นความเร็วในการหมุนล้วนซึ่งสร้างแรงดันไฟฟ้า EMF ด้านหลังเพื่อให้ตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ การจับคู่นี้เกิดขึ้นที่ไม่มีการโหลดและการลากจะลดอัตราส่วนนี้มากถึง 10% พร้อมกับเพิ่มแรงดันไฟฟ้าต่ออันดับขึ้นอยู่กับการสูญเสียโดยธรรมชาติ (เช่นกระแสไหลวน, แรงเสียดทาน, โดยทั่วไปจะเล็กเมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายพลังงานการเปลี่ยนรูปแบบขดลวดสเตเตอร์หรือการเปลี่ยนจำนวนของแม่เหล็กจะเปลี่ยนจำนวนอัตราส่วน RPM ต่อโวลต์สำหรับวัสดุเดียวกันกับอัตราส่วนเกียร์บนจักรยาน

• • ตัวอย่างการคำนวณด้วยแม่เหล็กต่าง ๆ ตรวจสอบการหมุนของสนาม

    • แม่เหล็กรวม / 2 = ปัจจัยการหมุนสนาม

    • ปัจจัยการหมุนสนาม * kV = วงจรแม่เหล็ก / V

    • ดังนั้นด้วยแม่เหล็ก 14 ตัวปัจจัยการหมุนของสนาม = 7 ดังนั้นการหมุนของสนาม = 7609 รอบ / v

    • สำหรับ 2200 kv:

      • 14 แม่เหล็ก - 2200 * 7 = 154000 รอบ / V
      • 10 แม่เหล็ก - 2200 * 5 = 11000 รอบ / V
      • 8 แม่เหล็ก - 2200 * 4 = 8800 รอบ / V

กำลังไฟฟ้าเป็นฟังก์ชั่นของกระแสและโหลดเท่านั้นรับการจัดอันดับด้วย EITHER โหลดเชิงเส้นหรือโหลดไม่เชิงเส้นของเสาอากาศพลศาสตร์ หรือโหลดเชิงเส้นเพิ่มขึ้นในรูปของ gm / W หรือ gm / Aโดยที่ gm คือแรงขับดัน

ภาพพื้นหลังเกี่ยวกับทฤษฎี (ง่ายกว่า)

• มันขึ้นอยู่กับกฎหมายของฟิสิกส์ที่กำหนดโดย Maxwell และในเชิงลึกยิ่งขึ้นโดย Heaviside และ Lorenz ผู้พิสูจน์ว่า Force on charge q นี้เป็นผลคูณของผลรวมของเขต E และความเร็วของเขต B

สมการเวกเตอร์บอกว่า F = Q (E + vxB)

แรงลอเรน , F กระทำต่ออนุภาคประจุไฟฟ้าที่มีความเร็ว v ทันที, เนื่องจากภายนอกสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็กบีพลังนี้คือสิ่งที่เราเรียกแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและมีการจับคู่โดยกลับ EMF ที่โหลดไม่มี

ความเร็วเชิงมุมต่อโวลต์มีความซับซ้อนมากขึ้นโดยมีจำนวนสเตเตอร์และโรเตอร์หมุนที่ให้การแปลงค่าสัดส่วนและการหมุนเวียนของกระแสไฟฟ้ามอเตอร์จะย้อนกลับโดยอัตโนมัติเพียงไม่กี่วินาทีอาร์คหลังสนามแม่เหล็กว่างเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการหยุดตาย . (การออกแบบ / กระบวนการล้มเหลว)

ดังนั้นความเร็วประจุแม่เหล็กจึงแปรผันตามความแรงของสนามซึ่งเกิดจากแรงดันไฟฟ้าและเรียกอีกอย่างว่าแรงสนามหลัง

คะแนน KV หมายถึงRPM สูงสุด / โวลต์ที่สามารถทำได้กับมอเตอร์ดังนั้นมอเตอร์ 2300 KV ที่ 1 V จะทำงานด้วยความเร็วสูงถึง 2300 RPM โดยไม่คำนึงถึงความถี่ แรงดันที่ต่ำกว่าแรงบิดสูงสุดที่มอเตอร์สามารถผลิตได้ หากคุณต้องการเพิ่มความถี่และพยายามวิ่งด้วยความเร็วที่สูงกว่ามอเตอร์จะมีแรงบิดไม่เพียงพอที่จะเอาชนะแรงเสียดทานที่ความเร็วและแผงลอย

สำหรับเครื่อง BLDC มีค่าคงที่ที่สำคัญสองค่า

$K_t$

$K_e$$\omega$

$K_t \equiv K_e$$K_e$$K_t$$K_t$

$K_v$

$K_v$$K_e$

เนื่องจาก quadrotors และอุปกรณ์ RC นั้นมักจะจ่ายแรงดันไฟฟ้า จำกัด ค่าคงที่รอบต่อนาทีนี้จะบอกความเร็วของโรเตอร์ที่สามารถทำได้ (ไม่โหลด) สำหรับแบตเตอรี่ที่กำหนด ในทำนองเดียวกันคุณสามารถประเมินแรงบิดที่สามารถผลิตได้เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่เหล่านี้

บทบาทของ ESC คือทำให้ฟลักซ์ของสเตเตอร์อยู่ที่ 90 องศาเมื่อเทียบกับฟลักซ์ของโรเตอร์ ทำได้ด้วยการใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งเช่นองค์ประกอบฮอลล์หรือโดยการใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับกลับ EMF - เซ็นเซอร์ไร้เซ็นเซอร์
ยิ่งไปกว่านั้น ESC สามารถส่งสัญญาณออกได้ทั้งสามเฟสเอาท์พุทเรียกว่า FOC (Field Oriented Control) หรือแรงดันไฟฟ้าสี่เหลี่ยมซึ่งมีเพียงสองขดลวดเชื่อมต่อในเวลาเดียวกันที่สามถูกปล่อยลอย
ไม่ใช่กรณีที่โรเตอร์กำลังติดตามฟิลด์สเตเตอร์ แต่ตรงกันข้าม - มันคือสเตเตอร์ยื่นตามตำแหน่งโรเตอร์ เมื่อใช้ FOC แอมป์ไฟดิทของแรงดันไฟฟ้าสเตเตอร์ของเวกเตอร์จะคงที่และหมุนตามตำแหน่งของโรเตอร์ แรงดันไฟฟ้าจะต้องสูงกว่า EMF ที่สร้างแรงดันเพื่อหมุนมอเตอร์ นี่คือที่ปัจจัย Kv มีบทบาท

ไม่แน่ใจว่าทำไมนี่ถึงพลาดในบริบทนี้

ควรเป็น V / krpm หรือโวลต์ / 1,000 รอบ / นาที ฉันอาจจะเข้าใจ V / k มือสั้น ๆ แต่ kv เป็นกิโลโวลต์
บางทีโวลต์ระหว่างขาของมอเตอร์หรือขาและความเป็นกลางอาจไม่ชัดเจน แต่การประชุมอยู่ระหว่างขาของมอเตอร์ 2 ขา ฉันเดาว่าคงเป็นเพราะง่ายกว่าถ้าไม่มีลวดเป็นกลางอยู่