實驗課程3：動力系統基礎測試參數測試實驗

課程内容：

1. 無人機動力系統基礎測試參數解讀

2. 無人機動力系統基礎參數測試實驗

實驗器材：

WF-EDU-02無人機動力測試教學儀實驗套裝

教學目标：

1. 了解無人機動力系統的基礎測試參數定義及測試原理；

2. 認識動力測試系統測量參數的各項傳感器及位置布局；

3. 掌握動力測試參數的測試測量以及數據觀察方法；

1. 動力系統基本測試參數

無人機動力系統六項基礎測試參數有拉力、扭矩、電流、電壓、轉速、電機溫度，通過動力系統測試台上相對應的傳感器直接測得，通過對基礎參數的了解，可以掌握無人機動力系統的基本性能，便于對動力系統進行整體匹配。

1.1 拉力

螺旋槳拉力（g）定義：

螺旋槳在空氣中旋轉産生的升力。螺旋槳拉力産生的原理，需要通過空氣動力學相關概念及原理進行闡述。空氣動力學原理相對比較複雜，我們可以簡單的理解為反作用力。螺旋槳在空氣中旋轉使槳葉下面的空氣速度加快，産生向下的氣流，我們可以理解成，螺旋槳推動空氣，使空氣産生向下的運動，同時空氣對螺旋槳産生向上的反作用力，即産生升力（拉力）。

圖1.1.1 螺旋槳拉力示意圖

測試台測試螺旋槳拉力原理:

螺旋槳産生的拉力，通過電機傳遞到測試台，作用在測試台的拉力傳感器上，拉力傳感器産生微弱的形變使應變片産生微弱的電壓變化，然後對電壓信号進行處理和校準，得到準确的拉力值，通過測試台軟件進行實時顯示。

圖1.1.2 拉力傳感器受力方向圖

1.2 扭矩

扭矩定義：

扭矩是螺旋槳在空氣中旋轉，與空氣之間相互作用産生的與螺旋槳旋轉方向向反的力矩，稱為反扭矩，單位N*m。扭矩代表着螺旋槳旋轉産生的空氣阻力，而電機驅動螺旋槳旋轉所輸出的能量就是用于抵消這部分扭矩，所以這裡的扭矩既是螺旋槳産生的空氣阻力，又是電機的輸出扭矩（代表電機的負載）。

圖1.2 扭矩傳感器受力方向意圖

測試台測試扭矩原理:

螺旋槳産生的反扭矩，通過電機傳遞到測試台，作用在測試台的扭矩傳感器上，扭矩傳感器産生微弱的形變使應變片産生微弱的電壓變化，然後對電壓信号進行處理和校準，得到準确的扭矩值，通過測試台軟件進行實時顯示。

1.3 電壓電流

電壓電流定義：

電壓（V）電流（A），指的是無人機動力系統的輸入電壓與電流，即動力電池輸入給電調的電壓與電流。由電壓與電流可以得到動力系統的總功率，代表動力系統的能耗。

電壓在無人機中一般指的是電池電壓，而一個動力系統中的電池節數一般是固定的，電壓會随着用電量的增加而下降，也會因為電池老化或輸出電流太大而迅速降低；電流是随着負載的變化而變化，而一套動力系統所能承受的電流是有限的，當電流過大時，動力系統（包括電池，電調，電機）會發熱嚴重，如果持續工作時間較長，甚至有燒毀的風險。

測試台測試電壓、電流原理:

電壓電流，分别通過電壓傳感器和電流傳感器進行數據采集。電壓、電流傳感器集成在測試台的電源主闆上，電源主闆上有電源輸入端和輸出端，動力電池電源主闆的電源輸入端連接，電源主闆的輸出端與電調連接，在動力系統運行的過程中實時的進行電壓電流測試。

1.4 轉速

轉速定義：

轉速指的是電機帶動螺旋槳旋轉的速度，單位r/min，也可以表示為RPM，

測試台測試轉速原理:

WF-EDU-02測試台采用換向轉速的測量方法，通過采集電調的換向頻率來檢測電機和螺旋槳的轉速，隻需要将電調的三根輸出線中的任意兩根作為采集主闆的輸入信号，便可以實時讀取電機的轉速值。

圖1.4 電調轉速信号線示意圖

1.5 溫度

溫度定義：

溫度（℃）指的是電機在工作狀态下的發熱溫度，電機的發熱主要由定子部分的線圈繞組（電流熱效應）産生。電機溫度升高會影響到電機的工作狀态：一是附着在電機外殼上的永磁鐵，随着溫度的升高，永磁鐵的磁轉化效率降低，直接影響電機的效率，如果溫度進一步升高，永磁鐵會有退磁的風險；另一方面外殼溫度間接反應了電機内部線圈的溫度，無刷電機的線圈一般由耐高溫漆包線繞制而成，一般耐溫200攝氏度，如果外殼溫度達到100攝氏度，說明其内部線圈溫度已經非常高了，而且此時線圈内部發熱嚴重，電機散熱能力不足，會使溫度急劇上升，造成燒毀電機的風險。

測試台測試電機溫度原理:

通過監測電機定子線圈、軸心或者外殼的溫度，得到電機的發熱參考量，其中線圈溫度能夠直接反應電機的發熱量，軸心溫度對比外殼溫度更接近線圈溫度（外殼為電機的轉子部分，與定子之間存在間隙）。WF-EDU-02測試台采用紅外測溫的方式，測試電機的軸心溫度。

圖1.5 溫度傳感器示意圖

二、實驗實訓内容

1.實驗準備：

實驗器材、工具準備；

WF-EDU-02測試台：測試台主體、隔離籠、電源線、數據線；

動力系統：20A電調、3S電池（可采用測試台内部電源替換）、一組電機和螺旋槳：電機型号為2312-KV1000，螺旋槳型号為9450；

其他裝配工具：内六角、螺栓、螺旋槳拆裝夾。

課程三實驗器材及工具準備

圖2.1 實驗器材及工具

2.認識基本參數測量傳感器

圖2.2 測試台傳感器三維示意圖

3.基本參數測試及觀察

（1）參照實驗課程1和課程2的操實驗步驟完成電機與測試台的安裝、測試台上電、軟件連接以及電調行程校準、電機轉向調整與螺旋槳安裝，進行安全保護設置，并将測試電壓調整為11.4V。

（2）點擊測試信息，并在軟件測試信息欄中填寫測試信息，進行保存。

圖2.3.1 測試信息填寫

（3）在測試台軟件的實時圖表下方勾選圖标顯示參數（拉力、扭矩、電壓、電流、換相轉速、紅外溫度）；通過實時圖表右側的滾動條可以滾動查看各項參數的實時圖表顯示。

圖2.3.2 測試台實時圖标勾選位置示意圖

（3）建立點采文件：點擊測試台軟件右下方的新建點采，軟件會自動建立點采集數據文件，并記錄第1組當前測試數據。

圖2.3.3 新建點采文件

（4）點擊油門解鎖，點擊右下方新建點采，分别将油門拖動到20%，30%，30%，40%，50%油門位置（精準的油門控制可以點擊控制窗口中的高級油門，設置油門增量為10%，通過油門 、油門-實現精準的油門控制）；每個油門位置停留10秒鐘左右（數據穩定），每次點擊點采，軟件會自動記錄當前測試的一組數據；測試完成，點擊油門上鎖。

圖2.3.4 高級油門設置及控制示意圖

圖2.3.5 每個油門點停留10秒鐘左右點擊點采

（5）可通過工具欄中文件菜單打開儲存目錄進行新建文件查看，将目錄中的第一個文件（文件名稱為singleSpot 創建時間）重命名為“基礎測試參數數據點采集記錄-時間-測試人員”，雙擊并打開重命名的文件即可查看測試的數據。

圖2.3.6 點采數據文件進行重命名

圖2.3.7 最終測試數據

本節課程實驗分為兩個部分：一是實驗原理講解部分，對動力系統基本測試參數以及動力測試台測試各項參數進行了全面的講解，通過實驗原理講解部分，可以對測試的基礎參數有一個整體全面的了解。二是實驗實訓部分，通過熟悉各個測試傳感器的位置布局，對測試儀器整體有一個清晰的認知；對各個參數進行測試觀察與并進行測試記錄，掌握動力系統測試數據的數據測試方法。

注：實驗課程完畢後，請将實驗器具恢複至實驗前狀态，将實驗器材及工具放回到指定位置。