无人机系统——机架、电机、电调、螺旋桨、电池之间的关系

NEONNY

在无人机系统中，电机、电调、螺旋桨、电池组成了动力系统，机架则是搭载动力系统的载体，只有弄清楚电池、电调、电机、桨叶、之间的关系，对于学习无人机相关专业知识的基础学习过程非常重要，以下内容以固定翼与多旋翼航空模型的动力系统为例进行说明，以航空模型举例更容易理解与学习。

1、多旋翼机架、螺旋桨直径

机架尺寸：多旋翼飞行器常见的小型机架有2寸、3寸、5寸、7寸、9寸、12寸、 15寸；2-9寸机架一般用于穿越机和小型航拍机，这里说的寸，是能够安装多少英寸直径的桨叶。当然，机架也有一个参数可以直观地说明它的大小，那就是对角电机安装轴距。机架有碳纤维材质的，也有尼龙材料和玻璃纤维材质的，现在大部分机架是用碳纤维管做机臂，尼龙或铝合金部件做连接件。只要机架足够轻，就能有效增加飞行时间，但减少了机架的重量，机架的机械强度就会变低，容易产生材料柔性变形，导致机架共振，影响飞行性能，在进行机架的选择时，需要权衡取舍。

                                         桨叶直径、电机轴距

桨叶直径：只要相邻两个电机之间、电机与机架中心板之间有足够的距离，就以配置更大直径的桨叶。当然，在选择机架时，需要遵循能小就不大，能轻就不重的原则，这是因为尺寸较大的机架更容易产生低频共振，机架更轻续航时间则能更长一些。

2、固定翼机翼翼展

     固定翼模型常见的有双翼机和单翼机，常用的机翼布局有上单翼、中单翼、下单翼几种结构；双翼机通常用于表演类飞行，飞行速度较低，失速速度也较低。上单翼飞机机翼离地更高，在起降时机身倾斜角度可以更大，不容易触碰地面，发动机和桨叶不容易吸入异物；下单翼机身设计常用于民航客机中，机翼主梁贯穿整个飞机机身，承载力更大更结实，起落架也连接到机翼大梁上，结构上更稳固。因为尾翼平尾受到机翼空气乱流影响，上单翼机的平尾几乎都放在垂尾顶部，与垂尾呈T 字型，下单翼机都是低平尾布局；上单翼升力大、飞行稳定性好但机动性较差，下单翼稳定性较差、但机动性好；

主要受机型和机翼大小的影响，一般机翼较小的航模飞机，使用的螺旋尺寸就更小，电机的KV值较高，电机转速更高；如果使用较大尺寸的桨叶和较低的转速，则反扭力变大，单桨固定翼模型机身受到扭力的反作用力更大；如果机翼面积过小，飞行时会导致飞机水平倾斜度过高，不利于操控。

3、动力电池

飞行器上配置的动力电池是飞行器的动力源，它存储的电量多少决定了飞行时间的长短。在设计飞行器时，需要重点关注电池的容量、重量、电压、最大放电电流

还要考虑电池内阻和充电电流这些参数。

串联电池组：动力电池由多片电芯串联而成，通过串联电芯，电池的电压增加，总功率瓦时数增加，当然电池组的内阻为串联电芯内阻之和。设计飞行器时，首先要考虑的是飞行器的起飞重量，有了一个确定的重量，就可以选配电机和桨叶的具体参数，让飞行器的操控性与续航处于最佳区间，不至于出现搭配不当的问题。

放电倍率：电池在规定时间内放出电池的额定容量，所需要的电流强度被称为电池的放电倍率。放电倍率是放电快慢（速率）的一种度量；倍率用C表示，具体计算式为：电流强度/额定容量=额定容量的放电倍数（A/Ah=C）

充电截止电压：航模锂聚合物电池充满电时，单芯电压在4.15-4.20V较为合适，超过这个过电压后，电池充放电性能会快速老化，其超充的有效电量可忽略不计，超电压充电是一种得不偿失的行为。

放电截止电压：锂聚合物电芯放电的最低限制电压为3.2V,实际使用中要限制在3.6V以上，因为在这个电压以下的剩余容量很少，很容易在极短的时间内出现过放电，电量如果被全部放完后会导致电芯损坏，切记不要过放，过放一次电池将不可逆转损坏

存储电压：电池在长期不使用时，电池的电芯储存电压最好为3.7-3.85V，存放时的环境温度为5-35°为宜，空气相对湿度<85%，定期检查电压情况，将低于3.7V电芯的电池进行补充充电，避免饿死（过放 ）电芯；每半年要将电池进行循环充放电，以保持电芯极板物质的化学活性。

电池串、并联：1S即为一个电芯的标称电压，两个电芯串联时电压翻倍，两个电芯并联时容量翻倍，无论串并联，电池组的容量翻倍。例如1S1P表示一个电芯，电压为一个电芯的标称电压；1

S2P表示为两个电芯并联，电压为一个电芯的标称电压，容量为一个电芯的两倍；2S1P表示为两个电芯串联，电压为一个电芯标称电压的两倍，容量为一个电芯的两倍；2S2P表示为两个电芯并联，两组并联的电芯再串联



                                            动力电池

4、电机和电调：

航模飞机的电机分为有刷电机和无刷电机，其中有刷电机只要接上电池，就可以转动，但无刷电机一定需要使用电子调速器配合才能旋转。无刷电机电子调速板也称为电调，电调是无刷电机动力系统不可或缺的一个组成部分。电调通过大功率晶体管开关快速切换电流的通断和运动方向，在无刷电机的三条导线中，电流来回切换，产生交变磁场，磁场与电机转子上贴片永磁体的固有磁场产生相吸和相排斥的力，电机转子就旋转起来了。飞控向电调发送PWM脉冲指令信号，电调上的单片机处理器接收指令后，控制大功率晶体管开关的通断持续时间和开闭的频率，快速调节无刷电机的转速，从而带动螺旋桨转动，获得不断变化的空气推力，保持飞行器的姿态。



  电子调速器

5、螺旋桨

螺旋桨是空气动力部件，它在高速旋转时，可在空气中获得拉力；多旋翼无人机主要利用了桨叶拉力中与地心引力相反的力，使飞机悬浮于空气中，这是一个反重力装置，桨叶拉力与地心引力形成夹角的力，可用于驱动多旋翼无人机做水平位移。

螺旋桨有2叶、3叶、以及多叶结构，多叶桨的飞行平稳性更好，直径越大的桨需要的转速越低、拉力转化效率越高、也更省电。海拔高度越低，空气密度越大，桨叶效率越高。螺旋桨的材质通常由塑料、碳纤维、木头、复合材料等制成。桨叶的尺寸单位为英寸，1英寸=2.54厘米。桨叶在电机上的固定方式有螺钉固定、螺帽固定、正反轴螺纹自紧。

当海拔高度超过1500米后，空气密度对桨叶升力的影响会越来越大，海拔高度超过3000米，越往高空，桨升力越小，需要的电机转速越高，可适当增加桨叶螺距提升升力，因转速增大了，飞行时耗电量会有所增加。