Droonien sähkökäytöt
Puska, Juho (2023)
Kandidaatintyö
2023
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023042638945
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023042638945
Tiivistelmä
Droonit ovat alkaneet yleistymään ja niitä pystytään käyttämään niin sotilaallisissa kuin siviilikäytöissä. Suuri siviilikäyttöisistä drooneista toimii sähkömoottorilla, vaikka droonien akut eivät vielä mahdollista yhtä pitkää lentoaikaa kuin polttomoottorikäyttöisillä drooneilla. Tämä työ on kirjallisuuskatsaus droonien sähkökäyttöihin. Sähkökäytöt tarkoittavat moottoria ja sitä pyörittävää tehoelektroniikkaa. Työssä tarkastellaan, mitä kaikkea löytyy droonin potkurin ja akun väliltä, sekä miten moottoreita ohjataan ja minkälaisia säätömetodeja käytetään.
Sähkömoottoristen droonien moottorit ovat pääasiassa harjattomia moottoreita, mutta harjallisiakin käytetään. Harjattomien etu on pitkä käyttöikä sekä korkea hyötysuhde, mutta niiden ohjaaminen on haastavaa ja ne tarvitsevat erillisen nopeussäätimen. Harjattomista moottoreista droonit käyttävät harjattomia tasavirtamoottoreita ja kestomagneettitahtimoottoreita. Niiden ero on se, että harjaton tasavirtamoottori tuottaa puolisuunnikkaan muotoista vastasähkömotorista voimaa ja kestomagneettitahtimoottori sinimuotoista. Kestomagneettitahtimoottorilla on myös hieman parempi hyötysuhde. Harjattomat moottorit käyttävät nopeussäätimissä vaihtosuuntaajaa, joka luo kolmivaihevirtaa. Vaihtosuuntaaja saa kytkentäsignaalinsa mikroprosessoreista, jotka käyttävät erilaisia säätömetodeja. Harjattomien moottorien säätömetodeina drooneissa käytetään paljon vektorisäätöä ja suoraa vääntömomenttisäätöä. Vektorisäädöllä droonin moottoreihin saadaan mahdollisimman suuri vääntömomentti ja suoralla vääntömomenttisäädöllä saadaan nopein vasteaika vääntömomentin muutoksille, joka on hyödyllistä esimerkiksi nopeissa liikkeissä. Drones have started to become more common, and they can be used in both military and civilian applications. Many civilian-powered drones are powered by an electric motor, although the drones' batteries do not yet allow for as long a flight time as combustion engine-powered drones. This work is a literature review on the electric drives of drones. Electric drive means the motor and the power electronics that run it. The work examines what is found between the drone's propeller and the battery, as well as how the motors are controlled and what kind of control methods are used.
The motors of electric drones are mainly brushless motors, but brushed ones are also used. The advantage of brushless is a long service life and high efficiency but controlling them is challenging and they need a separate speed controller. Regarding brushless motors, drones use brushless DC motors and permanent magnet synchronous motors. The difference between them is that a brushless DC motor produces a trapezoidal counter electromotive force, and a permanent magnet synchronous motor produces a sinusoidal one. The permanent magnet synchronous motor also has a slightly better efficiency. Brushless motors use an inverter in the speed controls, which creates a three-phase current. The inverter receives its switching signals from microprocessors that use different control methods. A lot of vector control and direct torque control are used as control methods for brushless motors in drones. With vector control, the drone's motors get the highest possible torque, and with direct torque control, you get the fastest response time to torque changes, which is useful for example in fast movements.
Sähkömoottoristen droonien moottorit ovat pääasiassa harjattomia moottoreita, mutta harjallisiakin käytetään. Harjattomien etu on pitkä käyttöikä sekä korkea hyötysuhde, mutta niiden ohjaaminen on haastavaa ja ne tarvitsevat erillisen nopeussäätimen. Harjattomista moottoreista droonit käyttävät harjattomia tasavirtamoottoreita ja kestomagneettitahtimoottoreita. Niiden ero on se, että harjaton tasavirtamoottori tuottaa puolisuunnikkaan muotoista vastasähkömotorista voimaa ja kestomagneettitahtimoottori sinimuotoista. Kestomagneettitahtimoottorilla on myös hieman parempi hyötysuhde. Harjattomat moottorit käyttävät nopeussäätimissä vaihtosuuntaajaa, joka luo kolmivaihevirtaa. Vaihtosuuntaaja saa kytkentäsignaalinsa mikroprosessoreista, jotka käyttävät erilaisia säätömetodeja. Harjattomien moottorien säätömetodeina drooneissa käytetään paljon vektorisäätöä ja suoraa vääntömomenttisäätöä. Vektorisäädöllä droonin moottoreihin saadaan mahdollisimman suuri vääntömomentti ja suoralla vääntömomenttisäädöllä saadaan nopein vasteaika vääntömomentin muutoksille, joka on hyödyllistä esimerkiksi nopeissa liikkeissä.
The motors of electric drones are mainly brushless motors, but brushed ones are also used. The advantage of brushless is a long service life and high efficiency but controlling them is challenging and they need a separate speed controller. Regarding brushless motors, drones use brushless DC motors and permanent magnet synchronous motors. The difference between them is that a brushless DC motor produces a trapezoidal counter electromotive force, and a permanent magnet synchronous motor produces a sinusoidal one. The permanent magnet synchronous motor also has a slightly better efficiency. Brushless motors use an inverter in the speed controls, which creates a three-phase current. The inverter receives its switching signals from microprocessors that use different control methods. A lot of vector control and direct torque control are used as control methods for brushless motors in drones. With vector control, the drone's motors get the highest possible torque, and with direct torque control, you get the fastest response time to torque changes, which is useful for example in fast movements.