无人机电机与电调技术 课件 第1、2章 无人机电机与电调基础知识、无人机动力电机工作原理

第一章

无人机电机与电调基础知识1.1无人机动力系统的组成及作用组成：由动力电机、调速系统、动力电源、螺旋桨等部分组成1.1无人机动力系统的组成及作用

1、动力电机●外转子三相交流无刷同步电动机●外转子电机短粗，转速低，扭矩大，适合带低速大桨●内转子电机外壳不转，轴转，电机细长，扭矩小，转速高，适合带高速小桨1.1无人机动力系统的组成及作用

2、调速系统●作用：根据飞控的控制信号，将电池的直流输入转变为一定频率的

交流输出，用于控制电机转速

1.1无人机动力系统的组成及作用

2、调速系统●分类：

带BEC的电调：将电池电压变为5V电压给飞控供电不带BEC的电调：需要有一个电源模块单独给飞控供电

1.1无人机动力系统的组成及作用

3、动力电源目前无人机主要动力源都采用锂聚合物电池●特点：能量密度大，平均输出电压高，自放电小

无记忆效应。工作温度范宽为-20℃~60℃输出功率大，寿命长，不含有毒有害物质

1.1无人机动力系统的组成及作用

4、螺旋桨安装在电机上，为无人机提供升力的装置

●桨叶角从毂轴到叶尖是变化的。最大迎角在毂轴处，而最小迎角在叶尖●扭转的原因是为了从毂轴到叶尖产生一致的升力

1.2无人机电机、电调的分类及结构特点有刷电机：早期的电机，是将磁铁固定在电机外壳或者底座，成为定

子。然后将线圈绕组，成为转子。无刷电机：把线圈绕在定子上，然后把磁铁做成转子，转动的是磁

铁，而不是线圈，少了碳刷这个消耗品。线圈固定后，可

以通过引出的3根线让线圈产生变化的磁场1.2无人机电机、电调的分类及结构特点1.2无人机电机、电调的分类及结构特点电机驱动控制部分也叫做电子调速器，简称电调，英文名称是electronicspeedcontroller（ESC）。电调对应使用的电机不同，分无刷电调和有刷电调。1.3直流电机的参数电机常见参数：T数，转速，无刷电机KV值，尺寸，轴径，2极/4极，有感和

无感●电机T数

T，英文全称为Turn，意思是线圈绕了多少圈。线圈数越小，流过电机的电流越大，则电机的扭矩也越大，耗电与发热越高，能提供更强劲的动力输出。

KV值小，适合带慢速大桨；KV值大，适合带快速小桨1.3直流电机的参数●电机转数

有刷电机有些会标出转速，例如30000rpm@7.2V无刷电机则常见的是标KV值，无刷的KV值是指电压每增加1V，电机的转速增加多少RPM。例1：3S500KV和6S300KV两个电机，那个转速快？1.3直流电机的参数●电机型号

无刷电机常规的型号有2212、2217、2208，前两个数字是指电机直径，后两个数字是指电机机身长度。

1.3直流电机的参数●输出轴径

常见轴径有：2mm，3.175mm，5mm，8mm。

1.3直流电机的参数●最大电流和最大功率

最大电流：电机能够承受并安全工作的最大电流。最大功率：电机能够承受并安全工作的最大功率。1.3直流电机的参数●槽极结构(N：槽数，P：极数)

模型常见的外转子无刷电机结构有：9N6P、9N12P、12N8P、12N10P、12N14P、18N16P、24N20P

1.3直流电机的参数●槽极结构(N：槽数，P：极数)

N必须是3的倍数，P必须是偶数(磁钢必须是成对的，所以必须是偶数)P数越小，最高转速越高。例如12N10P的最高转速肯定高于12N16P，N比P大，则相对转速更高。9N6P最高转速肯定高于9N12P同样的N，P越大扭力越强。扭力，12N16P大于12N14P大于12N10PN和P之间不能整除，比如12N6P1.3直流电机的参数●有感和无感电机

有感电机：传统的无刷电机都安装有霍尔传感器，利用霍尔传感器检测转子位置实现转向

无感电机：去除霍尔传感器，利用电子控制器检测电机的反电动势变化从而确定转子位置实现转向1.3直流电机的参数●外转子无刷与内转子无刷

内转子电机的工作转动部分设计在内侧，静态部分设计在外侧外

外转子电机的转动部分设计在外侧1.3直流电机的参数外转子无刷优势:转动惯量大、转动平稳、转矩大、磁铁好固定外转子电机劣势:电机外壳有散热通风口，外部杂物可能进入电机内部影响运转1.3直流电机的参数内转子无刷优势:电机内部与外部隔绝，避免外部杂物进入内部内转子电机劣势:扭矩不如外转子无刷电机、磁铁固定较为复杂。没有散热孔，船模用需借助水冷散热总结：通常，外转子用于航模较多，内转子用于车模与船模较多1.4无人机电调的参数●电调的连接图1.4无人机电调的参数问题：电调为什么有7根线或8根线？●电调的接线

两根较粗的输入线与电池的正负极相连输出线（有刷2根/无刷3根）与电机连接

信号线（杜邦线）与接收机或飞控连接1.4无人机电调的参数●电调的参数

1、电流

2、电调内阻3、刷新频率4、可编程特性1.5无人机电调参数设置方法1、正常使用开机过程说明:

(*注：对于支持6节锂电的电调，在

123提示音符后将鸣报n声短促的“哔”音，表示电调认为电池组有n节锂电单体，如电调判断是6节锂电，将发出6声“哔”音)1.5无人机电调参数设置方法2、油门行程设定说明:（注意！当第一次使用或电调搭配其他遥控器使用时，均应重新设定油门行程，其他时候则不用）1.5无人机电调参数设置方法3、使用遥控器编程设定说明:使用遥控器油门摇杆设定参数分为四个步骤：

（1）进入编程模式:(类似使用电脑时打开程序的操作)1）开启遥控器，将油门打到最高，电调接上电池2）等待2秒，鸣叫“哔-哔-”提示音3）再等待5秒，会鸣叫“”特殊提示音,表示已经进入编程模式。1.5无人机电调参数设置方法3、使用遥控器编程设定说明:使用遥控器油门摇杆设定参数分为四个步骤：

（1）进入编程模式:(类似使用电脑时打开程序的操作)4）退出设定

在第三步骤，选择设定值时，鸣叫特殊提示音“”后，2秒内将油门打到最低，则退出设定。在第二步骤，选择设定项时，当电机鸣叫出“哔——哔——”（即第8个设定项）两长音后，3秒内将油门打到最低，则退出设定。1.6螺旋桨的参数●桨径和桨距

定距螺旋桨，使用4位数字表示，前2位代表桨的直径后面2位是桨的桨距。单位：英寸，1英寸=254毫米例如，1045桨，桨径10in，约为25.4cm，桨距4.5in，约为11.43cm1.6螺旋桨的参数●正、反桨

右旋前进的螺旋桨为正桨，即顶视逆时针旋转的桨是正桨，正桨英文用CCW表示

左旋前进的螺旋桨为反桨。即顺时针旋转的桨是反桨。反桨英文用CW表示正桨上表面一般直接标数据，如11×5；反桨上表面标11×5R1.6螺旋桨的参数●桨的材质

桨的材质主要分为塑胶桨、碳纤维桨、木桨塑胶桨：

优点：效率很高，可以理解为续航时间长。小尺寸的多旋翼使用续航时间甚至会优于碳桨和木桨。缺点：桨身比较软，大载重、高速、大拉力时会轻微变形，产生颤振1.6螺旋桨的参数●桨的材质

桨的材质主要分为塑胶桨、碳纤维桨、木桨木桨：

木桨的材料多为榉木，硬度高、重量轻，经过风干打蜡上漆后不怕受潮。优点是：震动极小、静平衡完美、无颤振、价格便宜等；缺点是：效率低于原装APC桨，低于同尺寸优质的碳桨1.6螺旋桨的参数●桨的材质

桨的材质主要分为塑胶桨、碳纤维桨、木桨碳纤维桨：

优点：硬度高、刚度高、不变形、效率高、颤振极小。缺点：价格高，需要自己手工做静平衡，上机后根据振动再调动平衡，易脆，碰到硬物容易受损1.6螺旋桨的参数材料效率价格是否耐用木质高效价格适中易损碳纤维效率适中高价耐用塑胶低效低成本较耐用1.6螺旋桨的参数●安全转速

安全转速的计算，要保证在所有可能工况下不超过最高允许转速以最常见的10寸桨为例，多旋翼最大桨速为105000转/分钟，慢飞桨的最大桨速只有65000转/分钟1.6螺旋桨的参数●转动惯量

转动惯量是刚体绕轴转动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度转动惯量越小，控制起来更灵敏。更重要的是，螺旋桨的转动惯量越小，改变转速所消耗的能量就越小，因此能提高飞行效率。1.6螺旋桨的参数●桨叶数量

两叶桨；操纵灵敏度比较慢，平稳，效率高，载重大。省电，一般用在工业无人机，大载荷飞机三叶桨；操纵灵敏度反映快，速度快，机动性好，费电，一般用在航模和竞技穿越机1.7电源在商品化的可充电电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。锂离子电池的体积比能量和质量比能量高，可充电无污染，具备电池工业发展的三大特点，因此发展较快。而锂离子电池家族中的聚合物锂离子电池以其独特的安全优势，将逐步取代液体电解质锂离子电池，成为锂离子电池的主流。1.7电源●锂离子电池优点

电压高。单体电池的工作电压高达3.7V~3.8V（磷酸铁锂电池为3.2V），是Ni-Cd镍镉、Ni-MH镍氢电池的3倍比能量大。能达到的实际比能量为555Wh/Kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3~4倍于Ni-Cd，2~3倍于Ni-MH），已接近其理论值的约88%循环寿命长。一般均可达到500次以上，甚至1000次以上的充放电，磷酸铁锂电池可以达到2000次以上。安全性能好。无公害，无记忆效应。锂离子电池不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素，无“记忆效应”1.7电源●锂离子电池注意事项

放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害绝对不能过放电，锂电池内部存储电能是靠电化学的一种可逆化学反应实现，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生。一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废1.7电源●锂聚合物电池规格参数

电池容量：用Ah（安时）或者mAh（毫安时）标注，这表示在一定条件下（放电倍率、温度、终止电压等）电池放出的电量大小

例如标称1000mAh电池，如果以1000mA放电，可持续放电1小时。如果以500mh放电，可以持续放电2小时。1.7电源●锂聚合物电池规格参数

电池电压：目前工业生产的每一个锂聚合物电池单体电芯的额定电压都是3.7V。电池组上面经常出现S和P的字样，S表示串联，P表示并联

例如“6S1P”就是6节电芯串联，如果是“4S2P”就是每4节电芯串联，然后2串这样的电芯组再并联成一块完整的电池。电芯单体1节标注电压为3.7V，充满电压为4.2V。1.7电源●锂聚合物电池规格参数

放电倍率：锂聚合物电池能以很大电流放电，普通锂离子电池不能以大电流放电。放电倍率代表了锂聚合物电池放电电流的大小，代表电池放电能力，这个放电能力就是用C来表示

例如2200mAh的电池，0.2C放电表示放电电流为440mA（2200mAh的0.2倍率），1C放电表示放电电流2200mA即2.2A1.7电源●锂聚合物电池规格参数

充电倍率：充电倍率也是用C表示，只是将放电变成了充电；例如1000mAh电池，2C充电，就代表可以用2A的电流来充电。1.7电源●锂聚合物电池规格参数

放电终止电压：锂离子电池的额定电压为3.6V（锂聚合物为3.7V），终止放电电压为2.5~2.75V。低于终止放电电压继续放电称为过放，过放会使电池寿命缩短，严重时会导致电池失效；锂聚合物电池过放会“涨肚”，内部产生气体，不可复原。电池不用时，应将电池充电到保有全电压值（3V以上）范围内1.7电源●锂聚合物电池规格参数

放电温度：在不同温度下，锂离子电池的放电电压及放电时间也不同，电池应在-20℃~+60℃温度范围内进行放电工作。低温环境飞行，在飞行前，需要给电池做好保温1.7电源

●各种电池比较电池类型单体电压充放电特性用途锂聚合物电池3.7V无记忆效应，过放涨肚，大电流放电动力电源铅酸蓄电池6V,12V无记忆效应，大电流放电廉价，适用于启动电源镍氢电池1.2V小记忆效应，小电流放电适用于设备电源镍镉电池1.2V强记忆效应，大电流放电早期动力电源干电池1.5V不可充电，小电流放电临时设备电源第2章

无人机动力电机工作原理2.1三个基本定则●左手定则

左手定则可称“电动机定则”，是判断通电导线在磁场中的受力方向的法则，是指磁场对电流的作用力，或者是磁场对运动电荷的作用力

力的大小为：F=BILsinθ其中：B为磁感应强度（单位T），I为电流大小（单位A），为导体有效长度（单位m），为力的大小（单位N），θ为：和BI的夹角。2.1三个基本定则●左手定则2.1三个基本定则●右手定则

右手定则可称“发电机定则”，是判断通电导线周围的磁感线方向或螺线管的南北极的法则，磁场方向，切割磁感线运动，电动势方向，就是感应电流的方向。2.1三个基本定则●右手定则

E=BLvsinθ其中：v为导体的运动速度（单位m/s），B为磁感应强度（单位T），L为导体长度（单位m），θ为：B和的夹角。2.1三个基本定则●右手螺旋定则

用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。2.2无刷直流电机结构与原理●无刷直流电机结构2.2无刷直流电机结构与原理●无刷直流电机结构无刷直流电机组成部分：电机本体、位置传感器、电子开关线路；电机本体在结构上与永磁同步电动机相似；电子开关线路由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成；电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，起机械换向器的换向作用。2.2无刷直流电机结构与原理●无刷直流电机结构

一些常见外转子无刷电机结构2.2无刷直流电机结构与原理●无刷直流电机结构

外转子无刷电机拆解2.2无刷直流电机结构与原理●无刷直流电机结构三相9绕组3对极电机结构2.2无刷直流电机结构与原理

●三相绕组联结方式（1）星形联结方式绕组星形联结方式2.2无刷直流电机结构与原理●三相绕组联结方式（1）星形联结方式

三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A,B,C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB,AC,BC,BA,CA,CB，AB相通电情形AC相通电情形2.2无刷直流电机结构与原理●三相绕组联结方式（1）星形联结方式

BC相通电情形BA相通电情形2.2无刷直流电机结构与原理●三相绕组联结方式（1）星形联结方式

CA相通电情形CB相通电情形2.2无刷直流电机结构与原理●三相绕组联结方式（1）星形联结方式

2.2无刷直流电机结构与原理●三相绕组联结方式（2）三角形联结方式