无人机动力系统设计基础知识

标签：螺旋桨电机动力系统基础知识 ESC 无人机电流电池

无人机动力系统设计基础知识

1. 源由
2. 组成
3. 部件规格
4. 总结

1. 源由

任何电子、机械设备，最为重要的就是动力系统。

通过业内人士的接触、沟通，通常对于产品定义PRD以及背后的底层物理逻辑相关性理解或者认识存在一些短板，在实际产品设计、验证、测试方面感觉乏力。

从而出现一种现象或者说一种做产品方法：

大家都是这么做的。
谁谁谁也是用的这颗芯片。
就是照着谁谁谁的产品做的，性能上大体不会差很多。
做好，去实际飞一下，没什么问题，就好了。
实测远比实验室测试重要。
当时给的要求就是满足xxx条件就好了。
等等。。。。

其实这些做产品的方法都是一种对产品设计理解的不足导致的问题。

首先，大家要理解一个产品发布以后，产品规格书上的参数远远小于PRD里面的规格内容。那么为什么会形成这种情况，就需要做产品的工程技术人员深入思考。

为此，就个人的一些理解，首先对基础知识或者概念做一个汇总。

2. 组成

无人机的动力系统是飞行的核心组成部分，主要负责提供推力和操控。

电机（Motors）：
- 无人机常用的是无刷电机（Brushless DC Motor, BLDC）。每个电机连接一个螺旋桨，电机通过旋转螺旋桨提供推力。
螺旋桨（Propellers）：
- 螺旋桨是与电机相连的部件，通过快速旋转产生升力和推力。螺旋桨的尺寸、材质和设计直接影响无人机的飞行性能。
电子调速器（Electronic Speed Controller, ESC）：
- 电子调速器负责控制电机的转速。它接收飞控系统发出的信号，并调节电机的功率输出，从而调整螺旋桨的转速。
电池（Battery）：
- 无人机通常使用锂聚合物电池（LiPo），因为其能量密度较高，能够为电机和电子设备提供足够的电力。电池容量和电压直接影响无人机的续航时间和动力输出。
电源分配板（Power Distribution Board, PDB）或电源模块：
- PDB负责将电池的电力分配给各个电机及其他电子部件，如飞控系统和ESC。某些高级无人机使用集成电源模块，可以监测电池电量并调节供电。
飞控系统（Flight Controller）：
- 虽然不直接属于动力系统，但飞控系统通过感知无人机的姿态、位置和外界环境，控制电子调速器的输出，进而间接控制电机转速和动力输出。

3. 部件规格

3.1 电机规格书

提供了电机的详细参数信息，帮助使用者了解电机的性能和适用场景。以下是常见的电机规格书中会包含的关键参数：

1. 电机型号（Model Number）

电机的具体型号，用于识别不同类型的电机。

2. 尺寸和重量（Dimensions & Weight）

电机外形尺寸（Diameter x Height）：电机的物理尺寸，通常以毫米表示。
重量（Weight）：电机的净重。

3. Kv 值（Kv Rating）

Kv 值表示每伏特电压下电机每分钟旋转的速度（RPM/V）。例如，1000Kv 意味着每加 1 伏电压，电机的转速会增加 1000 RPM。Kv 值越高，电机转速越快，但扭矩相对较低。

4. 电压范围（Operating Voltage Range）

电机的工作电压范围，通常以 “2S-6S” 或具体电压表示，如 7.4V - 22.2V。该参数决定了电机适配的电池规格。

5. 最大持续电流（Max Continuous Current）

电机在正常工作时可以承受的最大电流，单位为安培（A）。超过该值可能会导致电机过热或损坏。

6. 最大功率（Max Power）

电机的最大功率输出，通常以瓦特（W）为单位。该参数表示电机在满负载情况下的最大能量输出。

7. 最大推力（Max Thrust）

电机在特定螺旋桨和电压条件下产生的最大推力，通常以克（g）或千克（kg）表示。这通常与螺旋桨尺寸相结合给出不同的推力值。

8. 空载电流（No Load Current）

电机在无负载（不带螺旋桨）状态下的工作电流，通常以安培（A）表示。

9. 电阻值（Internal Resistance）

电机内部绕组的电阻，单位为欧姆（Ω）。较低的电阻通常意味着电机效率更高。

10. 安装孔尺寸（Mounting Hole Dimensions）

安装电机时的孔距和孔径大小，通常以毫米（mm）表示。这决定了电机能否兼容无人机机架或支架。

11. 轴径（Shaft Diameter）

电机输出轴的直径，通常以毫米表示。轴径大小与螺旋桨的安装方式密切相关。

12. 使用场景（Application）

电机适合的使用场景，例如用于多旋翼无人机、固定翼无人机、RC 船等。

13. 效率（Efficiency）

电机的能量转换效率，表示输入电能转换为机械能的比例，通常用百分比表示。

14. 极数（Number of Poles）

电机内部磁极的数量，通常为 12 或 14 极，影响电机的扭矩和转速特性。

示例：

型号: TMotor MF2211
Kv: 1000Kv
工作电压: 2S-4S LiPo (7.4V - 14.8V)
最大持续电流: 20A
最大功率: 300W
最大推力: 1200g @ 4S, 10x4.5 螺旋桨
空载电流: 1A @ 10V
内部电阻: 0.04Ω
重量: 60g
安装孔尺寸: 16x16mm

3.2 螺旋桨规格书

提供了螺旋桨的详细参数信息，帮助用户了解其性能和适用场景。以下是螺旋桨规格书中常见的关键参数：

1. 螺旋桨尺寸（Size）

螺旋桨的尺寸通常以英寸表示，格式为 直径 x 螺距（Diameter x Pitch）。例如，10x4.5 表示直径为 10 英寸，螺距为 4.5 英寸。
- 直径：螺旋桨旋转时划过的圆的直径。直径越大，产生的推力越大。
- 螺距：螺旋桨每转一圈前进的距离，表示螺旋桨的进气角。螺距越大，速度越快，但所需动力也更大。

2. 材质（Material）

螺旋桨通常由以下几种材质制成：
- 塑料（Plastic）：轻便、价格低廉，但强度和耐久性相对较低。
- 碳纤维（Carbon Fiber）：重量轻、强度高、刚性强，适用于高性能无人机，但价格较贵。
- 尼龙混合材料（Nylon Composite）：常见于中档螺旋桨，具有良好的强度和耐用性。

3. 叶片数量（Number of Blades）

螺旋桨的叶片数量通常为 2 片、3 片或 4 片：
- 2 片螺旋桨：效率高，耗电量低，常用于较轻的无人机。
- 3 片或 4 片螺旋桨：增加了推力和操控性，但效率略低，适用于竞速无人机和高负载应用。

4. 旋向（Rotation Direction）

螺旋桨的旋转方向通常分为顺时针（CW, Clockwise）和逆时针（CCW, Counterclockwise）。
无人机通常需要配对的 CW 和 CCW 螺旋桨，以实现平衡的飞行控制。

5. 适用电机（Compatible Motors）

规格书中通常会列出适合该螺旋桨的电机 Kv 值范围，以确保电机和螺旋桨的推力匹配。例如，低 Kv 电机通常搭配大直径、大螺距的螺旋桨，而高 Kv 电机则搭配小直径、低螺距的螺旋桨。

6. 安装孔直径（Hub Diameter & Mounting Hole）

中心孔直径：用于安装螺旋桨的电机轴的直径，通常为 5mm、6mm 或 8mm。
固定孔数量：一些螺旋桨需要通过多个螺丝固定在电机上，通常会标明固定孔的数量及直径。

7. 最大推力（Max Thrust）

螺旋桨在特定电压、电机和转速下产生的最大推力，通常以克（g）或千克（kg）表示。这个参数帮助评估螺旋桨的性能。

8. 效率（Efficiency）

螺旋桨的推力与功耗之比，表示为每瓦产生的推力（g/W），效率高的螺旋桨能够在较少能量消耗的情况下产生更多推力。

9. 重量（Weight）

螺旋桨本身的重量，通常以克（g）为单位。重量较轻的螺旋桨有助于减少无人机的整体重量和电机的负载。

10. 噪音水平（Noise Level）

一些螺旋桨规格书会提到螺旋桨的噪音水平，尤其是对于需要安静飞行的无人机场景。

示例：

型号: 10x4.5 Carbon Fiber Propeller
材质: 碳纤维
叶片数量: 2 片
直径: 10 英寸
螺距: 4.5 英寸
旋向: CW/CCW（配对）
中心孔直径: 6mm
最大推力: 1200g（搭配 2211 1000Kv 电机）
重量: 15g

3.3 电子调速器规格书

提供了有关 ESC 的详细信息和性能参数，以帮助用户选择适合其电机和无人机系统的 ESC。以下是常见的电子调速器规格书中的关键参数：

1. 型号（Model Number）

ESC 的具体型号，用于识别不同类型和系列的 ESC。

2. 持续电流（Continuous Current）

ESC 在正常工作条件下可以处理的最大电流，通常以安培（A）表示。例如，30A ESC 意味着可以持续处理 30A 的电流。

3. 峰值电流（Burst Current / Peak Current）

ESC 在短时间内能够承受的最大电流峰值，通常只持续几秒，通常以安培（A）表示。例如，30A ESC 的峰值电流可能达到 40A，但只能持续几秒钟。

4. 工作电压范围（Operating Voltage Range / Cell Count）

ESC 支持的工作电压范围，通常以电池组的节数（S）或具体电压（V）表示。例如，2S-6S LiPo 表示 ESC 可以支持 7.4V 到 22.2V 的锂聚合物电池。

5. BEC 电压和电流（BEC Output / Battery Elimination Circuit）

BEC 是 ESC 内置的电源调节器，它为飞控系统和其他低压电子设备供电。规格书通常会提供以下两个参数：
- BEC 输出电压：常见的有 5V、6V 或可调电压输出。
- BEC 输出电流：通常为 2A、3A 或 5A，表示 BEC 可以为外部设备供电的电流大小。

6. 支持的电机类型（Motor Compatibility）

ESC 支持的电机类型，常见的有无刷电机（Brushless Motor）和有刷电机（Brushed Motor）。现代无人机的 ESC 通常仅支持无刷电机。

7. PWM 频率（PWM Frequency）

ESC 处理脉宽调制信号的频率，通常以赫兹（Hz）表示。现代无刷 ESC 的 PWM 频率通常在 8kHz 到 32kHz 之间，较高的 PWM 频率可以使电机运行更加平稳。

8. 刷新率（Refresh Rate / Signal Frequency）

ESC 接收飞控系统或接收机信号的刷新率，常见的有 50Hz、400Hz、600Hz 等。高刷新率可以更精确地控制电机转速，尤其在竞速无人机中很重要。

9. 通信协议（Communication Protocol）

ESC 与飞控系统通信的协议，常见的有以下几种：
- PWM（Pulse Width Modulation）：传统的通信方式，广泛使用。
- Oneshot、Multishot：更快的通信协议，适用于竞速无人机。
- DShot：数字通信协议，精度更高，支持 150、300、600 和 1200 不同速度等级。

10. 尺寸和重量（Dimensions & Weight）

ESC 的物理尺寸和重量，通常以毫米（mm）和克（g）表示。这些参数很重要，尤其在轻量化和空间有限的无人机设计中。

11. 冷却方式（Cooling Method）

ESC 的散热设计，有些高功率的 ESC 可能会配备散热片或风扇。无良好的冷却措施，ESC 在高负载情况下可能会过热。

12. 保护功能（Protection Features）

现代 ESC 通常具备多种保护功能，例如：
- 低电压保护（Low Voltage Cutoff, LVC）：当电池电压低于设定值时，ESC 会自动降低功率以保护电池。
- 过热保护（Overheat Protection）：当 ESC 温度过高时，降低或停止电机运转以保护电路。
- 过流保护（Overcurrent Protection）：当电流超过安全范围时，ESC 会限制电流流过电机。

13. 启动模式（Startup Mode）

ESC 提供的电机启动模式，常见的有：
- 正常启动：平稳启动电机。
- 软启动：电机启动时加速较慢，适用于带有大负载的系统。
- 竞速模式：快速启动，适用于竞速无人机。

14. 制动功能（Brake）

某些 ESC 提供电子制动功能，用于快速停止电机旋转。竞速无人机或高精度控制场景中常见。

示例：

型号: BLHeli 30A ESC
持续电流: 30A
峰值电流: 40A（10秒）
工作电压: 2S-6S LiPo (7.4V-22.2V)
BEC 输出: 5V/3A
PWM 频率: 24kHz
支持协议: DShot600, Multishot, PWM
尺寸: 45mm x 25mm x 8mm
重量: 20g
保护功能: 过流保护、低电压保护、过热保护
启动模式: 软启动、竞速启动
制动功能: 支持

3.4 电池规格书

提供了电池的详细技术参数，帮助用户选择适合其设备的电池，尤其是无人机、机器人和其他电子设备。以下是电池规格书中的常见关键参数：

1. 电池类型（Battery Type）

常见的电池类型有：
- 锂聚合物电池（LiPo, Lithium Polymer）：常用于无人机，轻便、高能量密度，但需要谨慎充放电。
- 锂离子电池（Li-ion, Lithium Ion）：容量高，但相对较重。
- 镍氢电池（NiMH, Nickel-Metal Hydride）：相对安全，能量密度较低。

2. 电压（Voltage）

标称电压（Nominal Voltage）：电池的正常工作电压，单位为伏特（V）。LiPo 电池的标称电压为每节 3.7V。例如，3S 电池的标称电压为 11.1V。
充满电压（Fully Charged Voltage）：LiPo 电池每节的充满电压为 4.2V，因此 3S 电池充满时的电压为 12.6V。
最低放电电压（Cutoff Voltage）：LiPo 电池每节的最低放电电压为 3.0V，如果电压低于此值，可能会损坏电池。

3. 电池容量（Capacity）

表示电池能存储的能量，单位为毫安时（mAh）或安培时（Ah）。例如，2200mAh 表示电池能够以 2.2A 的电流供电 1 小时。容量越大，续航时间越长。

4. 放电倍率（Discharge Rate / C Rating）

电池的放电倍率（C 值）表示电池能够安全放电的最大电流。它通常以一个倍数的形式表示，如 20C 或 30C。
- 最大持续放电电流（Max Continuous Discharge Current）：由容量和放电倍率计算，公式为 最大电流 = 容量 x C 值。例如，2200mAh 的 20C 电池最大持续放电电流为 44A。
- 最大瞬时放电电流（Max Burst Discharge Current）：一般为 C 值的 1.5 到 2 倍，但只能持续几秒钟。

5. 充电倍率（Charge Rate / C Rating）

电池的充电倍率通常为 1C 或 2C，这表示电池能够以多少倍于容量的电流进行充电。1C 充电意味着如果电池是 2200mAh，则可以用 2.2A 的电流充电。较高的充电倍率可以缩短充电时间，但可能影响电池寿命。

6. 电池节数（Cell Count, S Rating）

LiPo 电池的节数用 “S” 来表示，如 2S、3S、4S。每节 LiPo 电池的标称电压为 3.7V：
- 2S: 7.4V（标称电压）
- 3S: 11.1V（标称电压）
- 4S: 14.8V（标称电压）
  电池节数越多，电压越高，推力和功率输出也越大。

7. 电池重量（Weight）

电池的重量通常以克（g）为单位。对于无人机等轻量化要求高的设备，重量是一个重要参数。

8. 尺寸（Dimensions）

电池的物理尺寸，通常以毫米（mm）为单位，表示长度、宽度和高度。不同设备的电池仓大小会对电池尺寸提出要求。

9. 连接器类型（Connector Type）

电池使用的电源接口类型，如 XT60、XT90、Deans T 插头等。连接器必须与设备的电源接口匹配。

10. 内部电阻（Internal Resistance, IR）

电池的内部电阻影响电池的效率和发热情况，通常以毫欧姆（mΩ）为单位。内部电阻越低，电池的效率越高。

11. 充电时间（Charging Time）

充满电所需的时间，通常与充电倍率和电池容量有关。较高的充电倍率会缩短充电时间。

12. 循环寿命（Cycle Life）

电池能够经历的充放电循环次数，通常标示为循环寿命。这个参数影响电池的长期使用寿命。LiPo 电池的循环寿命通常在 300-500 次左右。

13. 工作温度范围（Operating Temperature Range）

电池在充电和放电时的安全工作温度范围。LiPo 电池通常在 0°C 到 45°C 范围内充电，-20°C 到 60°C 范围内放电。

示例规格：

型号: Tattu 3S 2200mAh 25C LiPo Battery
电池类型: LiPo
标称电压: 11.1V (3S)
容量: 2200mAh
持续放电倍率: 25C
最大持续放电电流: 55A
充电倍率: 1C（最大充电电流：2.2A）
尺寸: 105mm x 35mm x 25mm
重量: 180g
连接器: XT60
工作温度: 充电 0°C - 45°C，放电 -20°C - 60°C
循环寿命: ≥300 次

3.5 电源分配板规格书

详细列出了 PDB 的技术参数和功能，用于将电池电源均匀分配给无人机、电机、电子调速器（ESC）、飞控器和其他电子设备。以下是常见的电源分配板规格书中的关键参数：

1. 板载输入电压（Input Voltage Range）

电源分配板支持的输入电压范围，通常与电池的节数（S）对应，例如 2S-6S（7.4V-22.2V）。这个范围应与无人机使用的电池相匹配。

2. 最大电流（Max Current Output）

PDB 所能承受的最大电流输出，通常以安培（A）为单位。这个参数要足够高，以确保能够为多个电机、ESC 提供足够的电流。常见的 PDB 最大电流输出在 100A 以上，具体取决于设计。

3. 电源接口类型（Power Connectors Type）

主电源输入接口：通常为 XT60、XT90、Deans T 插头或焊接垫，连接电池。
输出接口：通常通过焊盘分配电源，直接连接到 ESC、电机或其他设备。有的 PDB 还提供插头式接口，方便连接。

4. BEC 输出（BEC Output / Battery Elimination Circuit）

PDB 内置的电源调节器（BEC）为飞控、电机控制器和其他电子设备提供稳定的低压电源，常见输出电压为 5V 或 12V。
BEC 输出电压：常见为 5V、9V、12V，甚至有可调节的输出。
BEC 输出电流：通常为 2A、3A 或 5A，供电量取决于设备需求。

5. 滤波功能（Power Filtering）

许多 PDB 提供电源滤波功能，用于减少电机和其他设备工作时产生的电磁干扰（EMI），保护飞控和其他敏感设备的正常工作。

6. 电流检测（Current Sensing）

一些高端 PDB 集成了电流传感器，用于实时监测整机的电流消耗，数据可以反馈给飞控或 OSD（屏幕显示器），帮助用户了解电池消耗情况。

7. LED 照明电源输出（LED Power Output）

一些 PDB 具有专用的 LED 电源输出接口，可以为无人机的 LED 照明提供电源，通常支持 5V 或 12V。

8. ESC 连接焊点（ESC Solder Pads）

PDB 提供专门的焊接区域用于连接 ESC。通常有 4 到 8 个 ESC 连接焊点（分别为正极和负极），允许多旋翼无人机方便地将 ESC 连接到电源。

9. 物理尺寸和重量（Dimensions & Weight）

PDB 的物理尺寸（毫米，mm）和重量（克，g），影响无人机的布局和总重量。小型多轴无人机通常需要轻便、紧凑的 PDB。

10. 板载保险丝（Fuse Protection）

一些 PDB 提供内置的保险丝，用于保护电路免受过电流的损坏。保险丝通常可以自动复位，或者是一次性的，需要更换。

11. 双层或单层设计（Single Layer vs. Double Layer）

PDB 的层数设计，单层设计通常结构简单，适合小型无人机；双层设计则提供更多功能接口和更大的电流容量。

12. 绝缘和散热功能（Insulation & Heat Dissipation）

高端 PDB 采用优良的 PCB 绝缘材料，并在设计上注重散热，以防止过热和短路。

示例规格：

型号: Matek FCHUB-6S
输入电压范围: 2S-6S LiPo (7.4V-22.2V)
最大电流: 184A（电池电流），46A（BEC 电流）
BEC 输出: 5V/2A 和 9V/2A
电流传感器: 集成 184A 电流传感器，电压检测
尺寸: 36mm x 36mm x 6mm
重量: 10g
电源接口: 主焊接垫（正极、负极），支持 XT60/XT90 插头
LED 电源输出: 5V 可调
ESC 连接焊点: 4x 正负极焊点
滤波功能: 内置 LC 滤波电路

重要注意事项：

确保 PDB 的最大电流输出能够支持所有电机和 ESC 的需求。
如果使用 BEC，请检查其电压输出与飞控或其他设备的输入电压要求是否匹配。
确认 PDB 的物理尺寸和布局与无人机机架的电池仓相符。

电源分配板在无人机、电动工具和其他多电机设备中至关重要，它确保所有电子组件可以稳定地从电池获得所需的电力。

3.6 飞控系统

略。

4. 总结

上述最为基础的这些参数，是否都清楚背后的物理逻辑和底层应用含义？

不管如何，有了上述概念之后，我们将有机会继续讨论和引出后续的一个话题：如何规划电子调速器，以及背后的物理逻辑和计算方法。

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