วิธีการคำนวณคู่มือขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์โดรนทีละขั้นตอน

 

ในบทความก่อนหน้า เราได้กล่าวถึงมอเตอร์ซึ่งเป็นระบบพลังงานหลักของโดรน ซึ่งเป็นตัวกำหนดว่าโดรนสามารถบินได้หรือไม่ มีเสถียรภาพในอากาศมากน้อยเพียงใด สามารถรับน้ำหนักได้หรือไม่ และบินได้นานแค่ไหน คุณคงทราบอยู่แล้วว่า ช่างเป็นมอเตอร์ DC ที่ไร้แปรง (BLDC) คืออะไร, Drone Motors ทำงานอย่างไร, และ วิธีเลือกมอเตอร์โดรนประเภทต่าง ๆ ...

 

ตอนนี้ ถึงเวลาพิจารณาปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่ง นั่นคือ แรงขับ

 

แรงขับเป็นตัวกำหนดว่าโดรนสามารถขึ้นบินและลอยตัวได้หรือไม่ และยังเป็นตัวกำหนดว่าโดรนสามารถติดตั้งกล้อง โมดูลแผนที่ บรรทุกสินค้า และอุปกรณ์ภารกิจอื่นๆ ได้หรือไม่

 

แรงขับที่ไม่เพียงพอ → บินไม่ได้; แรงขับที่มากเกินไป → สิ้นเปลืองพลังงานและลดความทนทาน

มอเตอร์ ใบพัด ตัวควบคุมความเร็วไฟฟ้า และแบตเตอรี่ จะทำงานได้อย่างเสถียรและมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อมีแรงขับที่เหมาะสมเท่านั้น

 

ในหัวข้อต่อไปนี้ เราจะสอนแนวคิดหลักของการประเมินแรงขับทีละขั้นตอน ตั้งแต่การกำหนดแรงขับ การคำนวณกำลังมอเตอร์ คำแนะนำอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก ไปจนถึงวิธีการจับคู่ ESC

 

ในฟิสิกส์แรงขับเป็นแรงที่ผลักวัตถุไปข้างหน้าหรือขึ้นไปและหน่วยของมันมักจะเป็นนิวตัน (n) หรือแกรม (g)/กิโลกรัม (กิโลกรัม) . ในอุตสาหกรรมโดรนเรามักจะใช้ "กรัม" หรือ "กิโลกรัม" เพื่อวัดแรงผลักดันของมอเตอร์โดยตรง

 

1. นิยามพื้นฐานของแรงขับ

แรงขับ = มอเตอร์ + แรงยกของใบพัดที่ค่ากำลังไฟฟ้าเข้าที่กำหนด

 

ตัวอย่างเช่น:

หากมอเตอร์สร้างแรงขับ 1,000 กรัม หมายความว่ามอเตอร์สามารถ "ยก" น้ำหนักได้น้อยกว่า 1 กิโลกรัมในสภาวะคงที่

 

แรงขับของมอเตอร์แต่ละตัวของควอดคอปเตอร์คือ 1,000 กรัม และแรงขับรวมคือ 4,000 กรัม (4 กิโลกรัม) ซึ่งในทางทฤษฎีสามารถรองรับน้ำหนักขึ้นบินสูงสุดได้ 2 กิโลกรัม (อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 2:1)

ค่านี้สัมพันธ์โดยตรงกับ "ความสามารถในการขึ้นบิน" และ "ความสามารถในการรับน้ำหนัก" ของเครื่องบิน

 

2. แรงขับคงที่กับแรงขับแบบไดนามิก

ในการใช้งานจริงเรามักจะแยกแยะความแตกต่างระหว่างแรงขับแบบคงที่และแรงขับแบบไดนามิก:

พิมพ์	คำนิยาม	วิธีทดสอบ
แรงขับคง	แรงขับที่เกิดจากมอเตอร์ + ใบพัดในอากาศนิ่ง	วางอยู่บนแพลตฟอร์มทดสอบแรงขับ
แรงขับแบบไดนามิก	แรงผลักดันที่มอเตอร์ + ใบพัดสามารถให้ในเที่ยวบิน/การเคลื่อนไหว	อุโมงค์ลมหรือการวัดทางอากาศ (ซับซ้อนมากขึ้น)

ค่าแรงขับของมอเตอร์ที่เราพูดถึงกันบ่อยๆ มักหมายถึง "แรงขับคงที่" ซึ่งเป็นข้อมูลมาตรฐานที่ผ่านการทดสอบและเผยแพร่โดยผู้ผลิตมอเตอร์

 

3. อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก: ตัวบ่งชี้คีย์สำหรับการเลือกมอเตอร์

อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนัก=การขับเคลื่อนทั้งหมด÷น้ำหนักการบินขึ้นเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญสำหรับการประเมินประสิทธิภาพการบิน:

การใช้เที่ยวบิน	อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักที่แนะนำ	อธิบาย
การถ่ายภาพทางอากาศ/เสียงพึมพำ	2:01	ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโฮเวอร์และโหลดเสถียรภาพ
การลาดตระเวนอุตสาหกรรม/การดำเนินงาน	2.5:1 ~ 3:1	ปรับปรุงความซ้ำซ้อนเพื่อรับมือกับการเปลี่ยนแปลงของความดันอากาศ/สิ่งแวดล้อม
การแข่งเสียงพึมพำ FPV	4:1 ~ 6:1	การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็วและการซ้อมรบที่รุนแรงต้องใช้อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักสูง

ตัวอย่างเช่น สำหรับโดรนถ่ายภาพทางอากาศที่มีน้ำหนักบินขึ้น 1,500 กรัม แรงขับรวมที่แนะนำคือประมาณ 3,000 กรัม ซึ่งหมายความว่าคุณต้องเลือกโซลูชันที่มอเตอร์แต่ละตัวสามารถให้แรงขับคงที่ได้อย่างน้อย 750 กรัม

 

เพื่อทำความเข้าใจกลไกการสร้างแรงขับมอเตอร์คุณต้องเข้าใจความสัมพันธ์ทางกายภาพขั้นพื้นฐาน:

พลังมอเตอร์ (w)=แรงดันไฟฟ้า (V) ×ปัจจุบัน (A)

 

การสร้างแรงขับเป็นหลักว่าหลังจากมอเตอร์ใช้พลังงานไฟฟ้าจำนวนหนึ่งมันจะเร่งอากาศลงผ่านใบพัดดังนั้นจึงสร้างแรงปฏิกิริยาที่สูงขึ้น . ยิ่งแรงขับมากขึ้น

 

1. อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้ากระแสและพลังงานของแรงขับ

พารามิเตอร์	คำแถลงผลกระทบ
แรงดันไฟฟ้า (V)	ยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูงเท่าใดก็ยิ่งส่งออกพลังงานก็จะสูงขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าเท่ากัน→ เหมาะสำหรับแพลตฟอร์มแรงขับขนาดใหญ่
ปัจจุบัน (a)	ระบุความเข้มของโหลดปัจจุบันของมอเตอร์ . ยิ่งโหลดมากเท่าไหร่ก็ยิ่งใช้พลังงานมากขึ้นเท่านั้น
พลัง (W)	ยิ่งพลังมากเท่าใดแรงผลักดันในทฤษฎีมากขึ้น แต่ต้องระวังว่ามันเกินขีด จำกัด ของมอเตอร์และ ESC .

 

การเพิ่มประสิทธิภาพของแรงขับไม่สามารถทำได้โดยการเพิ่มพารามิเตอร์เดียว . ตัวอย่างเช่นการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป

 

2. ความสัมพันธ์ระหว่างค่า KV และแรงขับ: อย่าสับสนด้วย "ความเร็วสูง"

ค่า KV (RPM/V) หมายถึงความเร็วที่มอเตอร์สามารถทำได้เมื่อมอเตอร์อยู่ในสภาวะไม่มีโหลดและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าอยู่ที่ 1V ตัวอย่างเช่น สำหรับมอเตอร์ 1000KV ความเร็วตามทฤษฎีคือ 10,000 RPM ที่แรงดันไฟฟ้า 10V

 

ค่า KV สูง: ความเร็วสูง แต่แรงบิดต่ำ เหมาะสำหรับใบพัดขนาดเล็ก โหลดเบา และสถานการณ์การแข่งขัน

 

ค่า KV ต่ำ: ความเร็วต่ำ แต่แรงบิดสูง เหมาะสำหรับใบพัดขนาดใหญ่ แรงขับสูง และแพลตฟอร์มรับน้ำหนัก

ความเข้าใจผิด: ค่า KV ที่สูงขึ้นไม่ได้หมายความว่าแรงขับจะมากขึ้นเสมอไป แรงขับที่แท้จริงขึ้นอยู่กับกำลังและประสิทธิภาพที่มอเตอร์สามารถส่งออกได้อย่างต่อเนื่องภายใต้โหลดที่กำหนด (ใบพัด)

 

3. การวิเคราะห์ตัวอย่าง: แรงผลักดันความแตกต่างของ KV ที่แตกต่างกันบนแพลตฟอร์มเดียวกัน

ใช้สองมอเตอร์ VSD เป็นตัวอย่าง:

แบบอย่าง	ค่า KV	ช่วงแรงดันไฟฟ้า	กำลังสูงสุด	แรงขับสูงสุด	แอปพลิเคชัน
2306	2400kV	6S	901W	1683g	เครื่องแข่ง FPV
3115	900kV	6S~8S	1617W	4185g	การถ่ายภาพทางอากาศแบบหลายหม้อ

ด้วยแรงดันไฟ 6S เท่ากัน แม้ว่า 2306 จะมีความเร็วสูง แต่แรงขับกลับต่ำกว่า 3115 อย่างเห็นได้ชัด นี่คือคำอธิบายที่ดีที่สุดที่ว่าค่า KV ไม่ได้เป็นสัดส่วนกับแรงขับ

 

การคำนวณแรงขับมอเตอร์นั้นไม่ได้เป็น "อภิปรัชญา" ที่หลายคนคิดว่า . แม้ว่าคุณจะไม่มีอุปกรณ์ทดสอบที่ซับซ้อนตราบใดที่คุณเชี่ยวชาญตรรกะพื้นฐานข้อมูลอ้างอิงและการประมาณที่สมเหตุสมผล

 

เราสอนคุณในสามระดับ:

1. วิธีการประมาณอัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนัก (ใช้กับสถานการณ์แอปพลิเคชันส่วนใหญ่)

นี่เป็นพื้นฐานที่พบได้บ่อยที่สุดและเป็นประโยชน์สำหรับการเลือก:

แรงผลักดันทั้งหมดที่แนะนำ=น้ำหนักการบินขึ้น×อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่แนะนำ

ประเภทเที่ยวบิน	อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักที่แนะนำ
การถ่ายภาพทางอากาศ/การทำแผนที่	2:01
การตรวจสอบสินค้า/อุตสาหกรรม	2.5–3:1
แข่งผ่าน	4–6:1

 

ตัวอย่าง:

คุณกำลังจะประกอบโดรน quadcopter สำหรับการถ่ายภาพทางอากาศ . น้ำหนักการบินขึ้นเมื่อโหลดเต็มคือ 2 . 2 กิโลกรัม

อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักที่แนะนำคือ 2: 1 ดังนั้นคุณต้องใช้แรงขับรวมมากกว่าหรือเท่ากับ 4 . 4kg (4400G)

จากนั้นแรงขับขั้นต่ำของมอเตอร์แต่ละตัวควรเป็น: 1100g .

 

2. วิธีการเปรียบเทียบตาราง (ใช้ได้เมื่อมีข้อมูลทดสอบผู้ผลิต)

หากคุณเลือกมอเตอร์ที่มีข้อมูลการทดสอบโดยละเอียดเช่น VSD Series คุณสามารถอ้างถึงพารามิเตอร์แรงขับคงที่สูงสุดและเปรียบเทียบกับความต้องการของคุณ .}

รุ่นมอเตอร์	แรงดันไฟฟ้าที่แนะนำ	แรงขับสูงสุด	โหลดสูงสุดที่แนะนำ (อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 2: 1)
3115	6S–8S	4185g	น้อยกว่าหรือเท่ากับ2.1 กิโลกรัม
2808	6S	2910g	น้อยกว่าหรือเท่ากับ1.45 กิโลกรัม
2306	6S	1683g	น้อยกว่าหรือเท่ากับ0.8 กก.

 

ด้วยวิธีนี้คุณสามารถกรองช่วงของมอเตอร์ที่ตรงตามข้อกำหนดการโหลดของเครื่องทั้งหมด .

 

3. วิธีการคำนวณด้วยตนเอง (สำหรับการประมาณรายละเอียดหรือผู้ใช้ DIY)

หากคุณมีความไวต่อพารามิเตอร์มาก หรือไม่มีข้อมูลแรงขับที่พร้อมใช้งาน คุณสามารถประมาณค่าได้โดยอ้างอิงจากความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

(1) การประมาณค่าด้วยวิธีกำลัง:

แรงขับเชิงทฤษฎี ≈ C × √(กำลัง × เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด)

โดยที่ C คือค่าสัมประสิทธิ์เชิงประจักษ์ ซึ่งโดยปกติจะอยู่ระหว่าง 6 ถึง 9 ยิ่งใบพัดมีขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพก็จะยิ่งสูงขึ้น

 

ตัวอย่าง: คุณประมาณค่ากำลังสูงสุดของมอเตอร์ที่ 1600 วัตต์ สำหรับใบพัดขนาด 13 นิ้ว

แรงขับโดยประมาณคือ ≈ 7 × √(1600 × 13) ≈ 7 × √20800 ≈ 7 × 144 ≈ 1008 กรัม

 

วิธีนี้เหมาะสำหรับการประมาณค่าโดยประมาณ และแรงขับจริงยังคงต้องอิงจากการวัดจริง

 

เมื่อคุณได้พิจารณาโมเดลแรงขับและมอเตอร์ที่ต้องการขั้นตอนต่อไปคือการพิจารณาการจับคู่ของระบบสนับสนุนโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ESC และแบตเตอรี่ . หากกระแส ESC ไม่เพียงพอและเอาต์พุตแบตเตอรี่ไม่เสถียรระบบจะไม่ทำงานอย่างเสถียร

 

นี่คือหลักการจับคู่หลักสามประการ:

1. ปัจจุบัน ESC ต้องมากกว่ากระแสมอเตอร์สูงสุด

การจัดอันดับปัจจุบัน ESC ควรเกินกระแสสูงสุดต่อเนื่องสูงสุดของมอเตอร์โดยปัจจัย 1.2 ถึง 1.5

 

คำแนะนำที่เป็นประโยชน์: เลือก ESC ที่ 20-50% สูงกว่ากระแสสูงสุดของมอเตอร์

 

ตัวอย่าง:

มอเตอร์ VSD 3115 กระแสสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 50A

→แนะนำกระแส ESC ที่แนะนำมากกว่าหรือเท่ากับ 60A

 

VSD 2306 มอเตอร์กระแสสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 35A

→แนะนำกระแส ESC ที่แนะนำมากกว่าหรือเท่ากับ 45A

 

หมายเหตุ: แม้ว่าการเลือก ESC ที่มีขนาดใหญ่เกินไปจะปลอดภัย แต่ก็อาจเพิ่มน้ำหนักและการใช้พลังงาน แต่ก็ส่งผลให้เสียประสิทธิภาพ .

 

2. แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ควรตรงกับค่า KV ของมอเตอร์และสภาพแวดล้อมการใช้งาน

ค่า KV กำหนดจำนวนแบตเตอรี่ S ที่คุณควรใช้ (1S = 3.7V) การเลือกแรงดันแบตเตอรี่ที่ไม่ถูกต้องจะส่งผลให้แรงขับหรือโอเวอร์โหลดไม่เพียงพอและเกิดการไหม้

KV ช่วง	หมายเลขแบตเตอรี่ที่แนะนำ	คำแนะนำแอปพลิเคชัน
800–1,000kV	6S ~ 8S	การถ่ายภาพ/การสำรวจทางอากาศขนาดกลางและขนาดใหญ่
1300–1500kV	4S ~ 6S	แพลตฟอร์มมัลติโรเตอร์
1800kV ขึ้นไป	4S ~ 6S	การแข่งรถ FPV เครื่องบินเบา

 

ตัวอย่าง:

VSD 4720 มอเตอร์, 420kV → 6s ~ 8s แนะนำ

VSD 2808 มอเตอร์, 1500kV → 6s แนะนำ

แนะนำ VSD 2306, 2400kV → 4S หรือ 6S (ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของงาน)

 

3. ขนาดใบพัดมีผลต่อประสิทธิภาพของแรงขับและโหลดระบบ

ยิ่งใบพัดมีขนาดใหญ่ แรงบิดและแรงขับก็จะยิ่งมากขึ้น แต่ภาระของ ESC และมอเตอร์ก็จะยิ่งมากขึ้นเช่นกัน ขอแนะนำให้เลือกใบพัดที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากข้อมูลการทดสอบที่ผู้ผลิตให้มา

 

เมื่อใช้ร่วมกับมอเตอร์ VSD แล้ว การเลือกแรงขับและระบบรองรับก็จะรวดเร็วยิ่งขึ้น

ในหัวข้อก่อนหน้านี้ เราได้อธิบายความหมายของแรงขับ วิธีการคำนวณ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแส และวิธีการเลือก ESC และแบตเตอรี่ ต่อไป เราจะใช้ข้อมูลจริงของมอเตอร์โดรน VSD เพื่อแสดงตรรกะการเลือกใช้งานจริง

 

ต่อไปนี้เป็นแบบจำลองทั่วไปของคำแนะนำการเลือกการจับคู่ซึ่งเหมาะสำหรับสถานการณ์การบินที่แตกต่างกันตั้งแต่โดรนข้ามประเทศที่มีน้ำหนักเบาไปจนถึงมัลติโรตเตอร์ขนาดใหญ่:

รุ่นมอเตอร์	ค่า KV	คำแนะนำแรงดันไฟฟ้า	แรงขับสูงสุด	ใบพัดใบพัดที่แนะนำ	แนะนำ ESC ปัจจุบัน	สถานการณ์ที่เกี่ยวข้อง
2306 เสียงพึมพำ	1800–2400kV	4S~6S	1683g	5×4.3×ใบพัดสามใบสามใบ	มากกว่าหรือเท่ากับ40A	FPV Racing/ Drone
2808 เสียงพึมพำ	1300–1950kV	6S	2910g	7-9 นิ้วใบพัด	มากกว่าหรือเท่ากับ45A	การแข่งรถขนาดกลาง/ หลายโหลดหลายตัว
2207 เสียงพึมพำ	1960kV	6S	1702g	ใบพัด 5 นิ้ว	มากกว่าหรือเท่ากับ40A	เสียงพึมพำ
3115 เสียงพึมพำ	900–1520kV	6S~8S	4185g	13×6.5 ใบพัด	มากกว่าหรือเท่ากับ60A	การถ่ายภาพทางอากาศ/การลาดตระเวน
2812 เสียงพึมพำ	900kV	6S	2710g	10-12 นิ้วใบพัด	มากกว่าหรือเท่ากับ50A	การถ่ายภาพทางอากาศขนาดกลาง/แพลตฟอร์มการบินอุตสาหกรรม
2807 เสียงพึมพำ	1350–1750kV	4S~6S	2728g	6-8 นิ้วใบพัด	มากกว่าหรือเท่ากับ50A	แพลตฟอร์ม Multirotor / Flexible High
4720 เสียงพึมพำ	420kV	6S~8S	7232g	15×7×3 หรือ 13×9×3	มากกว่าหรือเท่ากับ80~100A	การสำรวจทางอากาศขนาดกลางและขนาดใหญ่/แพลตฟอร์มเชิงพาณิชย์
5315 เสียงพึมพำ	380kV	6S~12S	9034g	18×5.5 ใบพัด	มากกว่าหรือเท่ากับ100A	แพลตฟอร์มพ่วง/การจัดส่งของอุตสาหกรรมเกรดอุตสาหกรรม

 

หมายเหตุ: ค่าปัจจุบันของ ESC ในตารางแนะนำให้มากกว่าหรือเท่ากับหรือเท่ากับกระแสสูงสุดมอเตอร์× 1 . 2 ~ 1.5. ขนาดใบพัดแนะนำตามประสิทธิภาพการทดสอบ . การเลือกที่แท้จริง

 

คำแนะนำเคล็ดลับการเลือก:

หากคุณกังวลเกี่ยวกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ คุณควรให้ความสำคัญกับชุดค่า KV ต่ำ + ใบพัดขนาดใหญ่

 

หากคุณกำลังมองหาพลังที่พุ่งทะยานหรือการตอบสนองที่รวดเร็ว การเลือกค่า KV สูง + ใบพัดขนาดเล็กจะให้ความคล่องตัวมากกว่า

 

ขอแนะนำให้ใช้แบตเตอรี่อัตรา C สูงเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาคอขวดของกระแสไฟที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพแรงขับ

 

ESC ต้องมีกระแสไฟเพียงพอเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการไหม้เนื่องจากภาระหนักในระยะยาว

 

ที่ VSD เรามีข้อมูลการทดสอบที่ครบถ้วนและคำแนะนำสนับสนุนสำหรับแต่ละรุ่น เพื่อช่วยให้คุณเลือกระบบพลังงานได้อย่างรวดเร็วและลดต้นทุนการลองผิดลองถูก

สำหรับเอกสารข้อมูลโดยละเอียด กราฟแสดงประสิทธิภาพแรงขับ หรือคำแนะนำระบบพลังงานแบบกำหนดเอง โปรดติดต่อทีมงานของเรา เรามีบริการสนับสนุนเต็มรูปแบบสำหรับลูกค้า OEM/ODM ตั้งแต่การให้คำปรึกษาด้านการออกแบบไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก เราให้บริการสนับสนุนแบบครบวงจรตั้งแต่การจับคู่โซลูชันไปจนถึงการผลิตจำนวนมากสำหรับลูกค้า OEM/ODM