• 

Контроллеры.

Реально, у контроллера (так же именуемого как «регулятор скорости, хода», «speed controller») есть только два критических параметра, которые непосредственно связаны с работой мотоустановки – это максимально допустимый рабочий ток, и диапазон рабочих напряжений.

Значение максимального рабочего тока обычно присутствует в названии контроллера. Например Markus SL-75 – максимальный рабочий ток у него 75 ампер.

Pilotage Stamina 20 – обозначает 20 ампер. Это значение тока, которое допускается при работе контроллера продолжительное время. Иногда в параметрах указывается кратковременный допустимый ток. Он, как правило, на 5-10% выше рабочего. Не следует надеяться на это значение – оно обозначает, что контроллер может пережить несколько секунд при таком токе, но никто не гарантирует его работоспособность после более продолжительной нагрузки такого значения.

Нам следует выбирать контроллеры, у которых допустимый максимальный рабочий ток равен, или превышает значения тока, полученные нами при расчетах в статическом режиме на 100% ручки газа. В принципе, чем больше будет запас – тем лучше, но все же следует руководствоваться целесообразностью. Ставить на мотоустановку с токами в 15А контроллер на 100 ампер конечно можно, но его размеры, вес, и стоимость будут идти в разрез со здравым смыслом. Вполне можно ограничиться 18 или 20-амперным. Хорошим вариантом будет так же ориентировка на максимально допустимый ток для мотора, который при правильных расчетах будет явно не выше его рабочего значения.

Второй параметр – это диапазон допустимых напряжений, с которым может работать контроллер. В описаниях часто пишут количество элементов (cells) аккумулятора, на который рассчитан контроллер. Как правило, самыми массовыми являются контроллеры, рассчитанные на диапазон в 2-3 элемента («банок») LiPo, на 2-4, и на 2-6 элементов. На большее количество элементов расчитаны высоковольтные контроллеры, в названии они имеют обозначение HV (hi voltage). Они, как правило, способны работать в диапазоне от 6 до 10 или до 12 элементов и рассчитаны на 70-100 ампер максимального рабочего тока. Их уже применяют на довольно крупных самолетах, с мотоустановками мощностью от 1, 5 квт и выше. Превышение максимально допустимого напряжения питания обычно приводит к выходу контролера из строя.

Кроме этих двух основных параметров, контроллеры различаются по наличию различных сервисных возможностей, и конструктивных особенностей. Как правило, все контроллеры имеют возможность программирования таких функций, как выбор скорость раскрутки вала («мягкую», «стандартную» и «быструю»), различные уровни напряжения автоотключения двигателя (чтобы не допустить полную разрядку аккумулятора и потерю питания для приемника и бортовых систем), включения/отключения режима тормоза (для прекращения вращения воздушного винта от набегающего потока при выключенном моторе). Часто присутствует функция программной смены направления вращения вала, звуковая сигнализация разных режимов работы, настройка таймингов, друге различные сервисные возможности.

Основная масса контроллеров может программироваться с помощью пульта управления, некоторые требуют для этого специальных программаторов, или компьютера с использованием специального USB-кабеля. Следует обратить внимание на эти особенности, чтобы не оказаться в поле с самолетом, который невозможно будет настроить без специального оборудования. В целом, наличие большого количества сервисных функций удобно, но оно не является строго обязательным. Тут можно ориентироваться на собственный комфорт и толщину кошелька.

Большинство низковольтных контроллеров имеют в себе встроенную схему ВЕС (система бортового питания), однако следует знать, что его использование допускается при питании не более чем 2-3 элементами LiPo, и с нагрузкой, не превышающей 3-4 маломощных сервомашинки (формата «микро» и «субмикро»). Большая часть отказов управления на небольших самолетах связана с кратковременными сбоями в работе встроенной системы ВЕС работающей с перегрузкой, обычно принимаемой за «помехи» или неисправность аппаратуры управления. Даже использование 4 сервомеханизмов «16-граммового» типа (HS-81) на встроенной ВЕС недорогого контроллера довольно часто приводит к отказу питания через уже 3-4 минуты работы мотора при активном рулении. Если самолет весит более килограмма, и оснащен 4 сервомашинками – уже стоит использовать отдельный внешний ВЕС приемлемой мощности (3-5А). Если при этом используется контроллер со встроенной ВЕС, то для исключения конфликтов между двумя системами питания можно отсоединить плюсовой (центральный) провод от разъема контроллера, подключаемого к приемнику (именно по этому проводу от встроенного ВЕС поступает питание на приемник и бортовое оборудование).

Существуют так же некоторые типы контроллеров, имеющий встроенный импульсный ВЕС большой мощности, и допускающий использование мощных сервомашинок, (а иногда и допускающие питание до 6 элементов LiPo), но это всегда отдельно оговаривается в описании контроллера, и обычно преподноситься как одно из главных достоинств. Такие контроллеры как правило имеют высокую стоимость, и оснащены большим количеством дополнительных сервисных функций. Как пример – контроллеры серии Spin фирмы Jeti.

Некотрые контроллеры средней и высокой мощности, засчитанные на количество элементов 2-6 и более, носят маркировку ОРТО. Они имею такую конструктивную особенность, как оптическую развязку силовых и управляющих цепей. Это сделано для снижения возможных помех и наводок в цепях управления. Контроллеры такого типа как правило не имеют на борту встроенных систем ВЕС. Однако, отсутствие встроенной ВЕС еще не означает автоматического наличие опторазвязки – это следует понимать. Наличие опторазвязки несколько снижает риск появления помех и наводок, но не является строго обязательным. Я эксплуатировал контроллеры без ОРТО на мощных мотоустановках – никаких проблем, честно говоря, не возникало.

Собственно, на этом краткий экскурс по контроллерам можно завершить. Итоговый вывод прост – для стабильной работы мотора нам важно иметь небольшой запас по току, и не превышать верхнюю границу допустимого напряжения питания контроллера. Все остальное – вопрос личных предпочтений, и пожеланий к сервисной функциональности системы. Так же, стоит быть внимательным при выбора питания борта через встроенный ВЕС.

Аккумуляторы.

В современных условиях разумнее всего использовать силовые батареи на основе литиевых элементов. По токоотдаче и удобству эксплуатации на больше всего подходят аккумуляторы с химией LiPo (литий-полимерные) и LiFe (литий-нанофосфатные). Остальные типы батарей ставим за рамками этой статьи, т.к. это отдельная большая тема, по которой разумно будет написать отдельную статью.

Помимо понятных нам параметров (емкость и напряжение), значения которых мы вывели в процессе расчетов, неосвещенными оставались такие понятия, как токоотдача, вес и стоимость аккумуляторных сборок.

Как известно, токоотдача - это способность аккумулятора отдавать ток определенного значения, выражаемая в количестве С, где С= емкость аккумуляторной батареи. Скажем, батарея емкостью в 2100мА имеющая токоотдачу в 16С способна отдать ток, в 16 раз больше ее емкости, т.к. порядка 33А В последнее время токоотдача батарей существенно возросла, и продолжает расти дальше. Все чаще встречаются сборки с токоотдачей в 30С, 35С, а то и в 40С.

Лидеры по токоотдаче – аккумуляторы с химией LiFe, их практическая токоотдача составляет более 50С. Неизбежной расплатой за высокую токоотдачу является высокий вес и стоимость таких батарей. Чем выше токоотдача, тем выше «удельный» вес и стоимость сборки. Например, аккумуляторы 3S (3 элемента) 2100мА c токоотдачей 16С весят 150 грамм, а такие же сборки, но с токоотдачей в 35С – уже около 220 грамм. По цене – различия примерно в тех же порядках. Разница существенная. Давайте теперь посмотрим, насколько важна высокая токоотдача для мотоустановки самолета.

Не секрет, что помимо хорошей энерговооруженности, мотоустановка должна обеспечивать еще и некоторую продолжительность ее работы. Обычно, необходимое время работы (на 1 полет) поставляет порядка 6-10 минут. Меньше 6 минут – это мало, больше 10 минут – особенно нет смысла, потому что уже хочется передохнуть и проанализировать полет. Если посмотреть на расчеты в мотокалке, то мы увидим, что при правильно подобранной мотоустановке и в смешанном режиме полета аккумулятор разряжается до минимально допустимого значения за 8-10 минут при токах, равных 10-12 емкостям такого аккумулятора. На силовых маневрах токи могут достигать 15-25С кратковременно.

Продолжительная токоотдача более 20С нужна в редких случаях, когда нужно выжать максимальную мощность за очень краткосрочный период. Мы можем использовать аккумуляторы небольшой емкости и с высокой токоотдачей, немного экономя на весе и емкости, но мы неизбежно будем терять в продолжительности работы нашей мотоустановки.

Более оправданно использования большой токоотдачи в низковольтных системах, где мощность реализуется за счет больших токов, а не за счет напряжения. Чем больше самолет, и выше напряжение питания – тем ниже токи (относительно емкости аккумулятора), и тем меньше может быть токоотдача сборки. Самолеты с высоким напряжением (от 6 банок и выше) редко превышают значения токоотдачи в 15-20С даже на силовых маневрах. По своему опыту, я бы рекомендовал использовать емкости аккумуляторов порядка 1/10-1/12 от максимальных токов в статике, и со значениями токоотдачи в 25-30С – для систем на 2-4 элементах, и 16-25С – на 5-10 элементах. Это даст приемлемый вес батареи, приличное время полета и невысокую стоимость сборки. Сборки с токоотдачей 35-40С оставим вертолетчикам, где необходимое время полета заметно ниже, а пиковые нагрузки - намного выше.

Что бы подвести некоторый итог – приведу очередную табличку наиболее популярных решений:

Вес самолета

Емкость сборки

необходимая токоотдача

(кол-во элементов)

130-200г

300-500мА

20-25С (2 банки)

200-300г

500-800мА

20-25С (2-3 банки)

400-600г

900-1300мА

16-20С (3 банки)

600-1300г

1500-2200мА

16-25С (3 банки)

1300-1700г

2500-3000мА

25-30С (3 банки),

16-20С (4 банки)

2000-2700г

3300-3700мА

16-20С (5-6 банок)

2500-3000г

3700-4200мА

16-20С (6 банок)

3500-5000г

3300-4000мА

16-20С (8-10 банок)

Опять же, это всего лишь типичные примеры, которые не стоит рассматривать как однозначное и безальтернативное решение.

Экспериментировать можно и нужно. А эта таблица всегда послужит нам хорошей стартовой платформой.

Теперь, когда наша мотоустановка укомплектована, пора переходить к практическим испытаниям, и анализу того, что у нас в итоге получилось.

Вопросы безопасности, и немного о культуре сборки.

Прежде чем запускать мотор хотелось бы еще раз предупредить об элементарных правилах безопасности!

Я как-то сам, несколько лет назад, был пошинкован игрушечным на вид винтом 9х6Е, с вываливанием вен из запястья, и с последующим наложением 6 швов. Если даже 2212/20 способен натворить такое – думаю, не стоит даже предполагать, что может устроить киловаттный мотор с хорошим электрическим винтом....

Следует строго придерживаться нехитрых правил – включать питание только непосредственно перед запуском мотора, никогда не стоять в плоскости вращения винта, внимательно следить за посадкой винта на вал мотора и его креплением. При испытаниях больших моделей стоит производить все действия с кем либо из коллег или друзей... Никогда не оставляйте без присмотра Вашу модель и пульт управления, если в ней установлен аккумулятор. Не допускайте детей к Вашему рабочему месту, когда на нем доступны аккумуляторы, воздушные винты (Е-серией можно легко пораниться), и тем более, если на столе стоит готовый к вылету собранный самолет. Я понимаю, что это прописные истины, понятные каждому разумному человеку, и тем не менее прошу простить за занудство – лучше перебдеть.

Теперь несколько слов о сборке. Довольно частая причина неустойчивой работы БК- мотора – это непропай или плохой контакт на одной из фаз. Если мотор дергается при запуске, или не может решить в какую сторону вращаться – проверьте в начале разъемы. Если они затянуты термоусадкой – не поленитесь вскрыть ее, и проверить, насколько хорошо провода впаяны в разъемы. Часто, при внешней кажущейся исправности соединений, достаточно прогреть мощным паяльником разъем в месте пайки – и неполадки с запуском устраняются.

Второй нюанс – это разъемы питания. При токах до 15-17А можно использовать 2мм штыревые разъемы. Они легкие, и разъединяются с небольшим усилием, обеспечивая при этом надежный контакт. При токах более 20А уже имеет смысл переходить на 3, 5 и 4мм штыревые разъемы, либо на Т-соединители типа Deans Ultra. Следует иметь ввиду, что Т-коннекторы сомнительного производства часто не обладают должным качеством контактов, и при токах 40-50А и выше уже не справляются со своими обязанностями. Это выражается как в просто в плохом контакте (искрят, нагреваются), так и в механических разрушениях, которые при токах 50-60А и напряжениях от 20 вольт и выше становятся просто опасными при эксплуатации. Не следует экономить на разъемах в мощной мотоустановке – выигрыш в 2-3 доллара может обернуться потерей дорогостоящей модели.

Практические испытания, анализ полученных результатов.

Теперь, когда мотоустановка скомплектована, разъемы напаяны – у вас есть 2 пути.

Первый, и самый простой – установить все на самолет, и опробовать мотоустановку в реальных условиях. Если вас устраивает полученные летные характеристики, замерьте для очистки совести максимальный ток, и если он не превышает допустимые значения, то можно приступать к повседневной эксплуатации. Если приборов для измерения тока под рукой нет, можно дать поработать мотору 8-10 секунд на максимальном газу, и потрогать ротор руками на предмет его нагрева – если на нем можно удержать руку хотя бы 3-4 секунды – самолет можно эксплуатировать.

Второй путь для тех, кому мало летных испытаний, и кто хочет разобраться в сути процесса и точности расчетов - нужно проконтролировать максимальный ток в статике, обороты винта, и тягу мотоустановки. Для особо щепетильных – проверить все это на разных режимах работы мотора. Для этого я предлагаю ознакомиться с нехитрыми приспособлениями для наших измерений.

Способов измерить максимальный ток несколько. Самый классический – это воспользоваться аналоговым или цифровым амперметром с шунтом, который с запасом сможет переварить нужный порядок тока. Прибор с диапазоном в 20-100А – штука довольно громоздкая и встречается нечасто, поэтому первая идея, которая возникает у начинающего пилота – это воспользоваться обычным мультиметром. Это более-менее применимо к легким мотоустановкам, для совсем небольших самолетов. Фирменный мультиметр с хорошими щупами как правило в состоянии справиться с токами до 10А, что приемлемо для 100-ваттного мотора, но не более. Причем полагаться на дешевые китайские модели не стоит, т.к. качество щупов и его шунта такое, что на мультиметре возникнут потери до 50-70% мощности всей мотоустановки. Если мультиметр не сгорит, то покрайней мере мотор не выйдет на полную мощность. Это было проверено не раз, на разных приборах стоимостью до 1000 рублей.

Единственный прибор, который выдал что-то похожее на результат – был приличный полупрофессиональный мультиметр, с дорогими щупами в комплекте. И то – его предел был был 10А. Для зального самолета это приемлемо. Для 500-граммового парк-флаера – уже нет.

Следующий тип приборов, который уже позволяют делать серьезные замеры – это токовые клещи. Специально отмечу, что они должны быть рассчитаны на измерение постоянного тока. Есть много клещей с бюджетом от 700-800 рублей. Но они могут делать замеры только на переменном токе. От 2000 рублей начинаются приборы, способные работать и с постоянным током. Главное достоинство токовых клещей – это то, что они работают бесконтактным способом.

Приборы эти тоже более-менее универсальны – они позволяют, помимо замеров токов, использовать их в качестве несложного мультиметра (при подключении щупов). Но для полного комплекта измерительного оборудования, к ним необходимо будет приложить оптический тахометр, который используется для настройки ДВС-моторов. С ним, я думаю, вопросов не возникнет – они есть в ассортименте почти любого модельного магазина.

Следующий класс – это специализированные приборы для измерений параметров электрических мотоустановок. Т.е. прямо то, что нам нужно.

Пользоваться ими очень удобно, а главное – что их цена как правило не превышает стоимость комплекта хороших токовых клещей, а возможности - куда шире. Самое простое, что можно привести в пример – это модельные ваттметры. Они позволяют измерять как напряжение, так и ток, будучи включенными в цепь питания, и вычислять потребляемую мощность.

Как правило, у них так же есть возможность измерять пропущенные через прибор драгоценные миллиампер/часы, что при зарядке аккумулятора, что при разряде.

Например ваттметр от E-Flite имеет миниатюрные размеры, и может быть стационарно установлен даже на небольшом самолете. Он запомнит значения максимального тока, уровень просадки напряжения аккумулятора при максимальной нагрузке, и подсчитает, сколько миллиампер было съедено мотоустановкой за полет. Похожая модель от Bantan имеет размеры покрупнее, но она позволяет в дополнение ко всем функциям следить за разбалансировкой батареи.

Стоимость таких приборов находится в диапазоне 45-60 долларов. Опять таки – к ним придется докупать модельный оптический тахометр.

Более продвинутая система измерений – это Hyperion E-Meter V2.

Этот прибор позволяет проводить все электрические измерения, содержит встроенный оптический тахометр, и может запоминать измеренные значения.

Кроме функций измерения, прибор может делать различные вычисления, его память содержит базу данных по винтам, и он даже в состоянии рассчитать тягу мотоустановки.

На самом деле функционал у него огромный, и писать о нем подробно в рамках статьи нецелесообразно. Лучше зайти на сайт производителя, и посмотреть его описание. Стоимость прибора находится в районе 100 долларов. И по сути – это будет лучшим выбором, если вам приходится часто заниматься сборкой и настройкой электрических мотоустановок.

Последняя серия приборов, которую я хотел бы рассмотреть - это т.н.«логгеры».

По сути, это бортовой самописец, который считывает параметры с датчиков, и записывает их с заданным промежутком в память.

Самый наглядный и распространенный представитель этой серии - MicroPower E-Logger.

Это небольшое устройство размером с USB-флешку, позволяющее записывать с заданным интервалом напряжение и ток (до 100А), а при подключении внешних датчиков – измерять и записывать обороты, температуру, скорость, высоту, и даже GPS-координаты. После полетов устройство моет быть подключено к компьютеру, а полученные данные изучены с помощью графиков.

В качестве полевой альтернативы компьютеру, возможно подключение внешнего дисплея (размером с половинку кредитной карточки), на котором можно выводить указанные при настройках данные, как текущие, так и пиковые значения.

Памяти прибора хватает для записи 3-4 параметров (с периодичностью 2 замера в секунду) - практически на весь полетный день.

Кроме электролетов, я устанавливаю такой прибор даже в бензиновый самолет – он контролирует температуру мотора, измеряет обороты, и считает потребляемые миллиамперы бортового аккумулятора. Очень удобная бортовая система, причем стоящая вполне вменяемых денег – около 120 долларов в комплекте с дисплеем, и датчиками оборотов и температуры.

Теперь, как померить тягу мотоустановки.

Проще всего это решается на более-менее крупном самолете. Самолет устанавливается на ровную гладкую поверхность, к нему сзади цепляется электронный либо механический безмен, и при даче газа можно снимать показания. С небольшими самолетами сложнее. С них придется демонтировать мотоустановку, и проверять ее тяговые характеристики на отдельном испытательном стенде. Проще всего воспользоваться кухонными весами с пределом измерений в 5 килограмм.

На весы устанавливается 5-литровая фляга из под питьевой воды, наполненная на 3-4 литра обычной водой. К пробке фляги прикручивается крестовина обратного крепления мотора, либо моторама, с установленным мотором и винтом, и подключенным контроллером, аккумулятором и приемником, котрые каким либо образом фиксируются на канистре (удобно делать это резиновым кольцом, или даже просто скотчем). Далее показания весов обнуляются (tare), либо при отсутствии этой возможности – записываются показания веса нашего импровизированного стенда, с неработающей мотоустановкой.

После дачи газа весы начнут «разгружаться», и разницей в показаниях весов будет являться текущей тягой нашей мотоустановки. Естественно, в качестве фляги с водой может использоваться любая удобная подставка, обладающая достаточной массой, чтоб ее не сорвало с весов. Единственное требование – чтоб эта подставка не затеняла воздушный винт, и высота установки воздушного винта над поверхностью установки стенда была не менее 1, 5-2 диаметров винтов, чтоб не возникало воздушного «подпора». В противном случае показания будут неточными. Одновременно с измерением тяги логично провести замеры тока, напряжения на аккумуляторе, и обороты винта.

Теперь посмотрим на полученные результаты. Если измерения, полученный нашим практическим путем совпадают с расчетами в мотокалке с погрешностью хотя бы в 3-5% - значит все компоненты были идеально подобраны, аккумуляторы свежие, константы винтов указаны верно, и вообще, все сложилось крайне хорошо. Поздравляю!

Но не всегда практические результаты совпадают с расчетами. Давайте проанализируем, в чем может быть причина несоответствия.

Токоотдача аккумулятора может быть ниже расчетной. Посмотрите на напряжение сборки под нагрузкой при испытаниях. Насколько оно отличается от расчетного? Попробуйте заменить аккумулятор на более свежий или с большей токоотдачей.

Константы винтов могут быть заданы неверно. Если обороты воздушного винта совпадают с расчетными, а тяга отличается – значит дело точно в этом. Если обороты отличаются, то проверить константы можно таким способом - регулируя газ на испытаниях, и подгоняя положение движка газа в итоговой таблице мотокалка, добейтесь совпадения оборотов. Замерьте реальную тягу мотоустановки, и сравните ее с расчетным значением для тех же оборотов в мотокалке. Подбирая значение Т-константы добейтесь совпадения значений как по оборотам, так и по тяге. (Запомните или запишите значение скорректированной константы – теперь для этого винта у вас точно вычисленное значение для будущих испытаний.). После приведения константы в реальному значению, любые другие несовпадения расчетов будут носить уже чисто «электрический» характер.

Если после вышеперечисленных мероприятий значения по токам и оборотам не совпадают, то вероятнее всего, kV или внутренне сопротивление нашего мотора не совпадает с заявленными. Такое часто случается, особенно с моторами малоизвестных азиатских производителей. Проверить kV несложно – на вал мотора вместо винта надевается плоская пластинка, на мотор подается питание известного значения, и тахометром измеряются обороты. Остается лишь разделить значение оборотов на питающее напряжение. Способ не самый точный, но достаточный для оценки погрешности в описании мотора.

Заключение.

Таким образом, теперь у нас есть набор необходимых представлений и инструментов, позволяющий самостоятельно подбирать, рассчитывать и испытывать мотоустановки на основе бесколлекторных электромоторов.

Надеюсь, данная статья окажет практическую помощь начинающим конструкторам и пилотам. Искренне рассчитываю, что более опытные коллеги простят мне некоторые неточности, и намеренное опущение некоторых аспектов – охватить все нюансы в рамках данной статьи просто невозможно.