无人机动力系统

测试实验实训教学课程

实验课程2：动力系统基本参数测量与验证

课程内容：

1. 无人机动力系统的基本参数

2. 无人机动力系统基本参数匹配原则

3. 螺旋桨、电机基本参数的测量

4. 电机KV值测试实验

5. 动力系统电流安全测试

实验器材：

WF-EDU-02无人机动力测试教学仪实验套装

实验教学目的：

1. 理解螺旋桨、电机、电调、电池的型号参数；

2. 掌握无人机动力系统的基本参数匹配原则，能够根据动力系统的基本参数以及测试结果进行动力系统的初步匹配；

3. 螺旋桨、电机部分参数的测量与测试验证，加深对动力系统参数的理解。

一、实验教学原理讲解：

1.无人机动力系统基本参数

无人机动力系统由螺旋桨，电机，电调和电池四个部分组成，无人机动力系统的四个组成部分都有特定的基本参数，基本参数一般包含：型号、指标、结构特征等方面的参数。

1.1 螺旋桨

一般而言，螺旋桨的型号（外型）参数由4位数字组成，前两位数字表示螺旋桨的直径（单位：英寸，1英寸≈25.4mm），后两位数表示螺距（单位：英寸），也称为桨距。例如“1045”，“9445”，“1812”，分别表示“直径10英寸，螺距4.5英寸”，“直径9.4英寸，螺距4.5英寸”，“直径18英寸，螺距12英寸”的螺旋桨。

图1.2.1：螺旋桨图例

1.2 电机

电机常见的基本参数有电机的型号、KV值、内阻、输出轴径、工作电压、最大电流和最大功率、空载电流、槽极结构，以朗宇2212电机为例，如图所示为该电机的基本参数表。

图1.2.1：2212电机参数表

（1）结构尺寸参数

无刷电机的型号（外型）由4位数字组成，表示电机定子的尺寸大小，前两位表示定子直径（单位mm），后两位表示定子高度（单位mm）。例如“2212”电机表示电机定子直径为22mm，定子高度为12mm。前两个数字越大，直径越大，电机越粗；后两个数字越大，高度越大，电机越高。

图1.2.2：2212电机定子直径与高度

电机槽极结构（NP）：N表示电机的槽数，P表示电机的磁极数，例如“12N14P”表示电机的槽数为12，磁极数为14，磁级对数为7（即7对磁极）。

电机的槽数是指电机定子铁芯中的凹槽数量，由于无刷直流电机为三相电机，因此槽数为3的倍数。电机的极数是指电机转子上的磁极数，磁极必须是成对的，因此极数为2的倍数。

图1.2.3：电机磁极与电机凹槽示意图

（2） KV值

无刷电机的KV值是表示电机转速的参数，是指电机在空载（未装螺旋桨）状态下，电压每增加1V，电机增加的转速（单位r/min，也可以表示为RPM）。例如“980KV”表示每增加1V的电压，转速增加980r/min；或者在10v空载下转速应该为9800r/min。（由于电机的生产质量控制问题，以及不同的生产批次，都会导致电机的实际KV值与最初型号标定的KV值有偏差，偏差一般在10%以内）

KV值与绕线匝数T的关系：

T，英文全称Turn，为线圈匝数，意思是定子的绕组线圈绕了多少圈，例如21T，表示定子绕组线圈绕了21圈。

对于同种尺寸规格的无刷直流电机来，通过改变T值，来改变电机的KV值的大小。对比相同型号参数的电机，线圈匝数多的KV值就低，最高输出电流小，转速低，低转速下扭力大；线圈匝数少的KV值就高，最高输出电流大，转速高，但扭力小。

（3）其他参数

最大连续电流（最大电流）和最大连续功率（最大功率）：无刷电机的最大电流和最大功率是指电机在正常工作的情况下能够承受的最大电流和最大功率。例如最大持续电流“15A/30s”表示电机最大可在15A的电流下持续工作30s后，超过时间或电流都会导致电机高温烧坏。

工作电压（最大电池节数）：无刷电机的工作电压是指保证电机正常工作的电压值。在无人机电机参数表中，通常会使用锂电池串联节数表示工作电压的范围。例如工作电压“2S-4S”，表示工作电压为2-4节锂电池串联的电压范围。

1.3 电调

电调的参数是在选配电调时的重要依据，一般地，电调说明书的参数表都包含有电调的型号、持续输出电流、瞬时电流、有无BEC、输入电压以及重量和体积，如图所示。下边对持续输出电流、瞬时电流、有无BEC、输入电压进行介绍。

图1.3：电调图例

（1）持续输出电流

持续输出电流是指电调在正常工作模式下的持续输出电流，单位为A。例如“30A”表示该电调的持续输出电流为30A。持续输出电流是无刷电调最重要的参数，根据电机的工作电流选择相匹配的电调，否则导致电调烧坏。

（2）瞬时电流

瞬时电流是指电流在工作时能够承受的最大电流，以及最大承受时间为10s。

（3）输入电压

电调能够正常工作时的工作电压范围。例如“3-4S LIPO ”表示该电调适用的电池为LIPO电池，3S或者4S。

（4）BEC

BEC（Battey Eimination Circuit） 为免电池电路，在电调里设置了一个电路模块，可以给接收机和舵机等电子设备供电。例如“2A@5V”表示电调将电池输出的电压转换到5V,其最大输出电流为2A。

1.4 电池

图1.4： 格氏电池

上图为无人机常用的LI-PO电池，电池的厂标参数主要包括：电池容量3300mAh，电池最大放电倍率为25C，最大充电倍率为5C，额定电压（标称电压）11.1V，电芯组合方式为3S1P，电池能量35.6Wh。

（1）容量(mAh)

无人机电池的容量单位一般用mAh表示，1000mAh=1Ah。以电池标注3300mAh为例，表示电池以3300mA放电可以持续进行一个小时。

（2）充/放电倍率（C-rate）

电池充/放电倍率代表充/放电电流的大小。充/放电倍率（C）=充/放电电流（A）/电池容量（Ah）。例如电池容量为3300mAh，1C放电的充/放电电流为3.3A，可持续充/放电1小时；2C充/放电电流为6.6A，可持续充/放电0.5小时。电池的最大放电倍率为25C，即最大的放电电流为82.5A；电池的最大充电倍率为5C，即最大的充电电流为16.5A。

注：为了使延长电池的使用寿命，一般电池在充放电过程中尽量以低的充/放电倍率进行充电或放电。

（3）电压

无人机聚合物锂单片电芯额定电压为3.7V，是根据平均工作电压得出。单片电芯的电压范围是2.75-4.2V。电池低于2.75V则过度放电（过放），电池高于4.2V则过度充电（过充）。一般电池上标称的是额定电压或者额定电压的倍数3.7V, 7.4V,11.1V,14.8V。

（4）电芯组合方式

我们常见的无人机电池会标注3S1P,6S1P,3S2P等,其中S(Serial)表示电池串联，P（Parallel）表示电池并联。例如3S2P指的是，将三块电池串联，再将串联后上午2组电池并联组成电池组，一共有六块电池芯。串联会增加电池电压，单个聚合物锂电池电芯标称额定电压为3.7V，3S电池电压为3.7X4=14.8V；并联会增加电池容量，例如单个电池容量为2600mAh，2P电池容量为5200mAh。也有电池会标注6cells，其实就是6S1P连接方式，因为无人机电池多采用串联的方式，所以一般简称几S电池，很少称电池为几P电池。

（5）电池能量（Wh）

电池能量指的是储存的能量，表示的是电池能做多少功单位是Wh，生活中的一度电就是1000Wh（1kWh）。从单位上可以看出电池能量和容量是不同的概念。电池能量（Wh）=电池容量（mAh）*电压（V）。所以在电池电压相同时，我们可以用电池容量或者电池能量进行比较，当电池电压不同时，需要用电池能量进行比较。电池能量密度指的是单位质量或者单位体积电池所能放出的能量，反映了电池能量大小和重量之间的关系。能量密度（Wh/kg）=电池能量/重量，由公式可以看出，在电池能量不变的情况下，电池能量密度越高，重量越小。目前常见的聚合物锂电池能量密度在110-200Wh/kg之间。

2.电机、电调、电池基本参数匹配原则：

（1）电压参数匹配一致性原则，即电池电压、电机的工作电压、电调的输入电压参数匹配保持一致，都在彼此的电压参数范围内。举例：电机工作电压为4-6S，电调输入电压为3-4S，此时只能选择4S电池进行供电。

（2）电流参数安全匹配原则，即电调的持续输出电流应大于电机的最大电流；

（3）电流安全运行原则，即动力系统在运行的过程中，测试的电流值应小于电机的最大电流。电机与螺旋桨匹配后，进行动力系统运行测试，保证全100%油门状态下，测试的电流值应小于电机的最大允许电流。

二、实验实训内容

1.实验准备：

实验器材、工具准备：

WF-EDU-02测试台：测试台主体、隔离笼、电源线、数据线；

动力系统：20A电调、3S电池（可采用测试台内部电源替换）、一组测试用电机和螺旋桨：电机型号为2312-KV1000，螺旋桨型号为9450、一个可拆卸电机；

其他装配工具：内六角、螺栓、螺旋桨拆装夹。

课程二实验器材及工具准备

图2.1 实验器材及工具

文件准备：测试电机参数表（附件1）；电调参数表（附件2）

2.基本参数测量

2.1螺旋桨、电机基本参数测量

（1）螺旋桨直径测量：

螺旋桨放置在直尺上，螺旋桨与直尺保持水平，螺旋桨一端桨尖对齐直尺的零刻度，在螺旋桨另一端桨尖处读取螺旋桨的直径（mm）。读取到的直径值除以25.4(1inch=25.4mm)，即为螺旋桨的直径参数值（inch）,通过测量参数与螺旋桨标注参数对比，明确参数所表达的含义。

图2.2.1 螺旋桨测量示意图

注：上述螺旋桨直径的测量方式，只能对螺旋桨直径进行粗略测量，非精准测量的方法。

（2）电机型号参数测量：

将电机定子与转子分离，用游标卡尺对定子进行尺寸测量；分别在定子和转子上数出电机的槽极结构参数，进行记录。

图2.2.2 2312电机定子直径（23mm）与高度（12mm）

2.2电机KV值测试实验

（1）参照课程1的操实验步骤完成，电机与测试台的安装、测试台上电、软件连接以及电调行程校准。

（2）软件设置：进入系统设置界面，根据电机基本参数（附件1），设置电机极对数。（测试台通过测试电调的换向信号进行转速测量，需要设置正确的电机极对数，才能使测量的转速正确）

图2.2.3 电机极对数设置

（3）电压调整：打开电机开关电源，旋转电机电压调整旋钮，观察软件电压示数，将测试台电压调整为10V（±0.01V）。

图2.2.4 电机电压调整示意图

（4）电机KV值测试：油门解锁，将油门位置拖动至100%，此时电源会产生少许压降，电压值低于10V；保持100%油门的状态，继续调整电机电压调整旋钮将测试台电压调整为10V（±0.01V）；记录电机换相转速值；此时电机的转速除以10（KV值=转速/电压），为电机实际的KV值。（由于电机的生产质量控制问题，以及不同的生产批次，都会导致电机的实际KV值与最初型号标定的KV值有所差别，一般在10%以内）

图2.2.5 电机KV值测试示意图

（5）电机KV值验证测试：在步骤(4)记录电机转速后，继续调整电压，将电压值调整到9V（±0.01V）或11V（±0.01V），再次记录电机转速值,此次记录的电机转速值与步骤（4）记录的差值同样为电机的实际KV值。（（4）和（5）两次测试的KV值存在少许误差，属于正常现象）

2.3 动力系统电流安全测试

动力系统电流安全测试，主要依据实验原理讲解部分，电机、电调、电池基本参数匹配原则中的电流安全运行原则,即电机与螺旋桨匹配后，进行动力系统运行测试，保证全100%油门状态下，测试的电流值应小于电机的最大电流。

（1）打开安全保护界面，保护方式设置为警告并关闭油门，点击使能保护，电流保护设置阈值为15A，温度保护设置为60摄氏度（电流设置15是因为电机出厂参数最大持续电流15A，60度也是放置电机过载的安全设置）；

图2.3.1 安全保护设置窗口

（2）按照实验课程1，完成电机、螺旋桨正反转测试及安装；

（3）测试前，请将隔离笼放置在测试台上，扣紧锁扣，打开电机电源开关；调整测试电压为11.4V，点击电流清零；点击油门解锁；将油门位置从0逐渐拖到100%，观察电流的变化情况；100%油门下，电流小于15A，则符合电流安全运行原则，点击油门上锁，完成测试。

将电压调整为15.2V（±0.1V）；点击油门解锁；点击电流清零；将油门位置从0逐渐拖到100%，观察电流的变化情况；100%油门下，电流超过15A，测试台自动上锁，动力系统匹配则不符合电流安全运行原则。

实验小结：

本节课程实验分为两个部分：一是实验原理讲解部分，对无人机动力系系统各个组成部分的基本参数进行详细讲解；二是实验实训部分，主要包含电机、螺旋桨基本参数测量，电机KV值测试，动力系统电流安全测试三个实验模块。

注：实验课程完毕后，请将实验器具恢复至实验前状态，将实验器材及工具放回到指定位置。

来源：灵翼飞航