Сегодня я хочу написать вкратце про "кирпичики" больших р/у моделей - приемники, регуляторы, сервоприводы и моторы. В микровертолетах все это (кроме моторов) обычно интегрировано в одну плату с целью уменьшения габаритов и веса, но в больших моделях каждый из этих элементов представляет собой отдельный функциональный узел, при этом у нас появляется возможность самим подобрать характеристики и стоимость устройств и получить аппарат с теми или иными параметрами. У тех, кто впервые столкнулся с данными устройствами может возникнуть вопрос как соединять все эти узлы между собой. Ничего сложно там нет, но тем не менее иногда имеются некоторые интересные особенности о которых не все могут знать и я постараюсь рассмотреть их в своей статье.

Приемники р/у моделей (Receivers)

Поскольку у меня в хозяйстве в основном семейство Spektrum, то  и рассказывать я буду исключительно про приемники DSM2/DSMX. У спектрума есть достаточно много моделей приемников различающихся количеством каналов, массой и возможностями. По размерам и дальности приема они делятся на классы: ultra micro - для ультра-микро моделей самолетов, нередко это приемники со встроенными сервами; паркфлайерные модели - приемники без сателлитов с небольшим радиусом приема (грубо говоря для самолетов которым хватает для полета небольшой лужайки); а также приемники рассчитанные на полноценную дальность. Последние обычно рассчитаны на использование с "сателлитами" - маленькими дополнительными приемниками, которые подключаются к основному чтобы обеспечить пространственное разнесение антенн. Приемники с сателлитами есть не у всех фирм. Например, Futaba, насколько я знаю, принципиально не использует сателлиты, выезжая на лучшей помехозащищенности при кодировании сигнала. Тем не менее, пространственное разнесение антенн - эффективный и сравнительно простой способ увеличить дальность приема. Основное предназначение сателлитов - избежать затенения сигнала материалом корпуса модели, поэтому основной приемник и сателлит размещаются в разных местах модели и желательно под углом друг к другу, а приемник просто берет лучший из двух сигналов в каждый момент времени. Для моделей с полностью карбоновыми корпусами есть специальные типы приемников с выносными модулями для крепления снаружи.

Некоторые спектрумовские приемники также имеют разъемы для подключения модуля телеметрии. Блок телеметрии использует собственный передатчик для отправки на пульт данных с подключенных датчиков - это могут быть уровень сигнала приемника, напряжение батареи, температура, обороты двигателя и т. д.

Также на приемнике обычно имеется лампочка-индикатор показывающая своим миганием или горением текущее состояние связи с пультом. 

Несмотря на простоту исполнения, стоимость оригинальных приемников обычно немаленькая. К счастью, на помощь в очередной раз пришли китайцы и наклепали своих версий под самые разные протоколы. Для Спектрумовского DSM2, это Хоббикинговские приемники OrangeRx - шестиканальный OrangeRx R610,  легкие четырехканальные R410 и R415, семиканальный OrangeRx R710 и девятиканальный R910; ну и сателлит к ним: OrangeRx R100 Satellite Receiver. Как показывает практика, пользоваться этими приемниками вполне можно, при этом по цене они без малого на порядок меньше оригинальных. Все они работают только в режиме DSM2.

Оригинальный приемник Spektrum AR6100e и его китайский клон OrangeRX R610, а также сателлит для него 

Подключение приемников радиоуправляемых моделей

Bind Plug и разъемы приемника AR6100e 

Ничего сложного здесь нет. Возьмем для примера шестиканальный спектрумовский приемник AR6100E. У него есть 7 разъемов по 3 контакта. 6 разъемов - это выходы на каналы, они промаркированы в соответствии с общепринятой маркировкой каналов - Thro (Газ), Aile (Элероны), Elev (Элеватор), Rudd (Руль), Gear (Шасси, 5 канал), Aux1 (6 канал). Выводы каналов тоже промаркированы как "-", "+" и управляющий сигнал. Соответственно к каждому из каналов можно подключить сервопривод, либо регулятор напряжения бесколлекторного двигателя, либо еще какую-нибудь электронику и она будет питаться от плюса с минусом и контролироваться управляющим сигналом. Седьмой разъем обычно помечен как Batt и служит для подачи питания на приемник (если оно уже не подается через какой-нибудь другой разъем), а также для переключения приемника в режим "Bind", т. е. для процедуры привязки к пульту. Для переключения в этот режим при включении приемника управляющий контакт разъема Bat должен быть замкнут на землю, обычно для этого втыкается специальная перемычка - "Bind Pug". В приемниках с поддержкой телеметрии, этот разъем также используется для связи с модулем телеметрии. Питание на приемник может подаваться через любой из разъемов "+" и "-", т. к. они все между собой просто-напросто соединены внутри приемника. Точно так же электронные устройства получают питание с приемника - он никак не регулирует напряжение, он просто напрямую передает питание через свои разъемы, соответственно особых ограничений по току здесь нет, но будут ограничения если вы решите подключить какой-нибудь потребитель питания (например, светодиодную подсветку) непосредственно к управляющему сигналу.

Что касается маркировки проводов подключаемых к приемнику устройств, то здесь мне попадалось пока 2 "стандарта" желтый/красный/коричневый и белый/красный/черный, сигнальный провод - желтый или белый. 

Бесколлекторные моторы (Brushless motors)

В микровертолетах обычно стоят коллекторные моторы, т. е. моторы с щетками и коллектором. При всей их простоте, у них один огромный недостаток - ограниченный ресурс. Щетки подгорают и перетираются и рано или поздно выходят из строя. У бесколлекторных моторов щеток нет, а кроме того значительно выше КПД, но они требуют использования обязательного электронного узла - регулятора скорости (ESC - Electronic Speed Controller, его еще называют "контроллер"), который контролирует вращение электрического магнитного поля своевременно подавая напряжение на соответствующие обмотки мотора. 

Регулятору бесколлекторного мотора необходимо знать положение ротора в каждый момент времени, для этого могут использоваться либо встроенные в мотор датчики, либо импульсы обратного электромагнитного поля (кстати, именно поэтому каждому б/к мотору требуется свой собственный регулятор).  Моторы без датчиков проще по конструкции, поэтому в р/у моделях в основном используется второй вариант - контроллер рассчитывает положение ротора на основе времени между импульсом напряжения питания и импульса обратного электромагнитного поля  и использует эту информацию для определения фазы и того куда подать следующий импульс напряжения питания. Регулирование скорости вращения мотора происходит с помощью изменения продолжительности импульса питания (широтно-импульсная модуляция) - более длительная серия импульсов создает большее магнитное поле, которое заставляет ротор вращаться быстрее, что вынуждает контроллер увеличивать частоту подачи импульсов.

Со всем вышесказанным связано еще два немаловажных понятия - тайминг регулятора и срыв синхронизации бесколлекторного мотора. Тайминг - это нечто вроде выставления угла зажигания в карбюраторных двигателях. Он определяет сдвиг фазы подачи питания на мотор. Регуляторы обычно позволяют настроить тайминг выбором из нескольких значений. Для каждого мотора и условий его эксплуатации оптимальный тайминг может быть разным. Обычно его определяют по максимальной эффективности работы мотора в его рабочем диапазоне оборотов. Иногда может возникнуть такая ситуация, когда из-за резкого изменения нагрузки или оборотов мотора, регулятор может "упустить" данные о действительном положении ротора и заблокировать подачу питания на мотор, такое явление называется срывом синхронизации. Вероятность этого повышается при неправильно выставленном тайминге. В этом случае придется перезапускать мотор заново.

По исполнению моторы бывают инраннерами (inrunner) и аутраннерами (ourunner), в инраннерах постоянный магнит закрепленн на вращающемся роторе, в аутраннерах - на вращающемся колоколе, т. е. в аутраннерах вращается внешняя часть мотора. Поскольку аутраннеры в силу своей конструкции позволяют использовать большее число магнитных полюсов, то они развивают больший крутящий момент и позволяют обходиться без редуктора, поэтому они больше распространены для р/у моделей. Количество электрических обмоток у бесколлекторных моторов - всегда три, соответственно и подключаются они тремя проводами.

Кроме габаритов и мощности, у мотора есть еще одна важная характеристика - kV. Так принято обозначать коэффициент отношения частоты вращения оборотов мотора (об/мин) к напряжению питания мотора (В). Грубо говоря kV показывает насколько быстро будут вращаться разные моторы при одинаковом напряжении. Для разных моделей, разных используемых шестеренок и пропеллеров требуемый kV мотора подбирается и вычисляется индивидуально.

 Несколько типичных аутраннеров

 Обычно б/к моторы продаются с крестовиной крепления и адаптером для пропеллера, но иногда комплектация более скудная. 

Регуляторы напряжения (ESC)

О том, что такое регулятор (контроллер) скорости и для чего он нужен думаю уже стало понятно из предыдущего пункта. По сути, регулятор представляет собой микроконтроллер с прошитой в него программой и силовые ключи для управления обмотками мотора. 

Несколько типичных регуляторов напряжения со встроенным BEC'ом 

Основная характеристика ESC - максимальный ток который он может обеспечить для питания мотора. Среди моделистов почему-то распространена привычка подбирать регуляторы с большим запасом по току. Это не всегда рационально и примеры из жизни показывают что "впритык" подобранный регулятор работает ничуть не хуже, зато весит и стоит гораздо меньше (по крайней мере это справедливо для питания от трехбаночных аккумуляторов, с ростом напряжения лучше все же иметь запас). А вот по качеству, увы, регуляторы могут сильно отличаться. К сожалению нередки случаи когда регулятор горит из-за внутреннего брака или халтурной сборки, когда кто-нибудь из китайцев решил сэкономить на термопасте.

Конструктивно, чаще всего регулятор представляет собой плату засунутую в термоусадку. Чтобы предохранить электронику от влаги многие моделисты перед установкой регулятора дополнительно герметизируют эти два конца термоусадки с помощью герметика или термоклея. 

Регуляторы скорости бывают со встроенным стабилизатором напряжения (BEC -  Battery Eliminator Circuit) и без него. Стабилизатор напряжения выдает 5В и используется для питания приемника, серв и прочей рассчитанной на это напряжение аппаратуры. В случае если у вашего регулятора нет встроенного BEC'a, для питания приемника и аппаратуры придется использовать отдельный стабилизатор напряжения - UBEC (Universal Battery Eliminator Circuit). Некоторые специально ставят UBEC для большей надежности (чтобы не зависел от нагрева регулятора), или разносят питание мощных (сервы) и важных (приемник) потребителей на разные цепи. Стабилизаторы напряжения в свою очередь бывают двух типов - линейные и импульсные (обозначаются пометкой Switching). Импульсные стабилизаторы имеют более высокий КПД (особенно хорошие дорогие импульсные стабилизаторы), а следовательно меньше греются. Не рекомендуется запараллеливать питание нескольких стабилизаторов. В случае с линейными стабилизаторами это просто не рекомендуют делать из-за разброса параметров их электронных компонентов, а в случае с импульсными стабилизаторами это делать категорически нельзя. Поэтому, если у вас есть несколько регуляторов скорости со встроенным BEC и вы все их хотите подключить к одному приемнику (как это делается в мультикоптерах), то лучше вынуть плюсовые провода стабилизаторов у всех регуляторов кроме одного.

Микроконтроллер регулятора обычно имеет несколько параметров которые можно настроить. Набор чаще всего стандартный - это тормоз, тип отсечки, тип аккумулятора, напряжение отсечки, тайминг, мягкий старт и частота PWM, но иногда бывают и дополнительные специфичные параметры. Подробнее об этом и о программировании регуляторов я расскажу в следующей статье.

Хочу отметить, что разные модели регуляторов могут иметь различное "предназначение". Например, регулятор отлично работающий в самолете будет совсем никуда не годным в квадрокоптере, или наоборот. Это сложно оценить объективно, поэтому лучше ориентироваться на отзывы из жизни. Иногда практикуется такое развлечение, как перепрошивка программы микроконтроллера регулятора с целью улучшения его характеристик.

Типичный UBEC 

 Подключение бесколлекторных моторов и регуляторов скорости

Регулятор скорости подключается к б/к мотору тремя проводами. Последовательность соединения не имеет значения, но если мотор вращается не в ту сторону, в которую вам требуется,  то нужно просто поменять местами любые 2 провода. В качестве соединительных разъемов обычно используются разъемы типа "Gold Bullet Banana Connector", они бывают разных диаметров. Сами моторы и регуляторы в зависимости от цены могут продаваться как с уже распаянными разъемами, так и просто с голыми проводами. Впрочем, если не планируете часто снимать/ставить эти детали, провода можно просто спаять между собой.

Набор разъемов Gold Bullet 3,5мм 

Подключение остальных проводов регулятора скорости вопросов вызывать не должно - разъем с "фишкой" подключается к требуемому каналу приемника, по этому разъему регулятор получает информацию для управления скоростью вращения двигателя, а если в нем встроенный стабилизатор, то через этот разъем он также питает приемник. Сам регулятор запитывается от аккумулятора (обычно там голые провода, поэтому надо припаять разъем питания, например, XT-60). Современные регуляторы умеют автоматически определять количество банок аккумулятора, так что этот параметр обычно настраивать не требуется). Естественно, диапазон входного напряжения регулятора не безграничен и обычно указывается в его характеристиках. Самые распространенные регуляторы могут работать с аккумуляторами с количеством банок от 2 до 6. Регуляторы рассчитанные на большее количество банок как правило стоят значительно дороже, т. к. именно на 25В проходит граница между сравнительно дешевыми и более дорогими полевыми транзисторами.

Есть один очень важный момент по подключению регулятора, который возможно не все знают - удлинять провода регуляторов не рекомендуется. Если вам все же никуда не деться от удлинения, то: 1. Лучше удлинить провода от контроллера до мотора, 2. Желательно использовать провод большего сечения, чем стоит на регуляторе. 

Дело в том, что при удлинении проводов от контроллера до батареи начинает сказываться их индуктивность и может возникнуть ситуация, когда уровень помех по напряжению питания на входе контроллера станет настолько высок, что контроллер не сможет правильно определить положение ротора мотора (иногда при этом еще и "повисает" процессор контроллера). Известно несколько случаев полного "выгорания в дым" контроллеров, при удлинении проводов со стороны аккумулятора до 30см. В то же время, при удлинении проводов от контроллера до мотора всего лишь слегка сдвигается задержка тайминга контроллера. Чем больше напряжение от которого питается регулятор, тем более критичен он к удлинению проводов. 

Как резюме

В случае крайней необходимости можно удлинить провод от регулятора до аккумулятора, если сделать это проводом толстого сечения и чтобы итоговая длине в любом случае не превышала 20 см. В остальных случаях лучше удлинять провода на мотор и без лишней необходимости это не делать.

Сервоприводы

Я не буду сильно останавливаться на этом пункте, так как материал по сервам очень обширный и его в двух словах не расскажешь. Напишу основное.

Сервопривод (серва или рулевая машинка, сервомашинка) представляет собой не просто моторчик с резистором и шестеренками, но также и электронную плату которая преобразует сигнал управления с приемника и контролирует работу мотора сервы. Соответственно, сервы бывают цифровыми и аналоговыми. Цифровые сервы имеют внутри микроконтроллер (да, опять он) с программой управления, они работают быстрее и точнее аналоговых, но потребляют бОльшую мощность.

По размерам все сервоприводы делятся на несколько стандартных классов - гигантские, нормальные, мини, микро, нано. Бывают также низкопрофильные сервомашинки уменьшенной высоты. Основные характеристики - скорость перекладки и мощность усилия. Еще два важных свойства - точность отработки и надежность. 

На самом деле выбор серв для модели - очень важное и ответственное действие, здесь тоже есть свои фавориты и разница в ценах между дешевыми и дорогими сервами может достигать десятков раз. Поэтому лучше подойти к этому делу ответственно и хорошенько изучить советы и отзывы перед покупкой, т. к. от этого зависит, во-первых, точность поведения модели в воздухе, во-вторых, вероятность потерять модель в один "прекрасный" момент из-за отказа сервомашинки. 

Типичная цифровая серва 

Подключение сервомашинок

При подключении серв надо учитывать, что некоторые сервы рассчитаны на работу от повышенного напряжения и питание их от встроенного стабилизатора не позволит им развить полную заявленную мощность. Другая сторона вопроса, что если модель большая и на ней стоят мощные сервы, то максимального тока отдаваемого стабилизатором контроллера может не хватить для их работы, появляется риск просадки напряжения, что очень чревато для работы приемника, поэтому при использовании мощных серв необходимо в обязательном порядке просчитывать их аппетиты и возможности стабилизатора, а еще лучше  замерять все это на практике, либо организовывать отдельную линию для питания приемника. 

Так же, насколько я слышал, иногда бывают проблемы совместимости некоторых цифровых серв с некоторыми гироскопами, этот момент нужно также учитывать.

Общая картина подключений

Ну, надеюсь с подключениями этих устройств  все более-менее ясно. В целом, получается что-то вроде этого:

Подключение регулятора, мотора, сервы и приемника 

Длинная статья получилась и занудная, все равно всего не получается охватить, но надеюсь что общее представление мне удалось раскрыть.  

18 комментариев к записи “Несколько слов про приемники, бесколлекторные моторы, ESC и подключение всего этого добра”