การจับคู่ชุดขับเคลื่อน

ทำไมต้องรู้

ชุดขับเคลื่อน (มอเตอร์ ใบพัด ESC และแบตเตอรี่) กินพลังงานเกือบทั้งหมดของโดรน การจับคู่ที่ดีทำให้บินนานขึ้นได้มากโดยไม่ต้องเพิ่มแบตเตอรี่ การจับคู่ที่ผิดทำให้มอเตอร์ร้อน ESC ไหม้ หรือแรงขับไม่พอสู้ลม บทนี้เชื่อมทุกอย่างในโมดูล 1–3 เข้าด้วยกัน

สัมประสิทธิ์ของใบพัด

ฐานข้อมูลใบพัดของ University of Illinois (UIUC Propeller Database) อธิบายสมรรถนะด้วยค่าไร้หน่วย $C_T$ (แรงขับ) และ $C_P$ (กำลัง) โดย $n$ คือรอบต่อ วินาที และ $D$ คือเส้นผ่านศูนย์กลาง (m)

$T=C_T\rho n^2{D}^4,P=C_P\rho n^3{D}^5$

แรงขับเพิ่มตามกำลังสองของรอบหมุน แต่กำลังเพิ่มตามกำลังสาม ใบพัดใหญ่ที่หมุนช้าจึงให้แรงขับเท่ากันโดยใช้กำลังน้อยกว่าใบพัดเล็กที่หมุนเร็ว

import math

g, rho, mass = 9.81, 1.225, 3.2
thrust_each = mass * g / 4
ct, cp, eta, avionics_w, usable_wh = 0.10, 0.045, 0.80, 26, 222 * 0.8
for name, d in (("15 in", 0.381), ("13 in", 0.3302)):
    n = math.sqrt(thrust_each / (ct * rho * d ** 4))      # rev/s
    shaft_w = cp * rho * n ** 3 * d ** 5
    total_w = 4 * shaft_w / eta + avionics_w
    print(f"{name}: {n * 60:.0f} rpm, shaft {shaft_w:.1f} W per motor, total {total_w:.0f} W, "
          f"hover time ≈ {usable_wh / total_w * 60:.1f} min")

15 in: 3308 rpm, shaft 74.2 W per motor, total 397 W, hover time ≈ 26.8 min
13 in: 4405 rpm, shaft 85.6 W per motor, total 454 W, hover time ≈ 23.5 min

ตรวจความเข้ากันได้ของทั้งชุด

เกณฑ์ที่ต้องตรวจ

• แรงขับสำรอง แรงขับสูงสุดรวมควรมากกว่าน้ำหนักพอสำหรับไต่ระดับและต้านลม (ดู TWR ใน UAT 321)
• ช่องว่างของรอบหมุน รอบหมุนขณะลอยตัวควรต่ำกว่ารอบหมุนสูงสุดที่มอเตอร์ทำได้ที่แรงดันใช้งานพอสมควร มอเตอร์ 400 KV ที่ 22.2 V หมุนได้ราว 8,880 rpm ขณะไม่มีโหลด เทียบกับ 3,308 rpm ที่ต้องใช้ลอยตัวด้วยใบพัด 15 นิ้ว จึงมีช่องว่างเหลือมาก
• กระแส กระแสสูงสุดของมอเตอร์กับใบพัดนั้นต้องต่ำกว่าพิกัดต่อเนื่องของ ESC พร้อมส่วนเผื่อ และแพ็กต้องจ่ายกระแสรวมได้
• ความร้อน มอเตอร์และ ESC ต้องมีลมระบายในตำแหน่งติดตั้งจริง

เครื่องมืออย่าง eCalc xcopterCalc คำนวณทั้งชุดจากฐานข้อมูลมอเตอร์ ใบพัด และแบตเตอรี่ ผู้พัฒนาระบุความแม่นยำประมาณ ±15% จึงใช้เลือกตัวเลือกเบื้องต้น แล้วยืนยันด้วยแท่นวัดแรงขับและ log การบินจริง

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• แรงขับเพิ่มตาม $n^2{D}^4$ กำลังเพิ่มตาม $n^3{D}^5$ ใบพัดใหญ่หมุนช้าจึงประหยัดกำลังกว่า
• คำนวณรอบหมุนที่ต้องการจากแรงขับ แล้วหากำลังและเวลาบิน
• ตรวจแรงขับสำรอง ช่องว่างของรอบหมุน กระแส และความร้อนก่อนสรุป
• เครื่องมือคำนวณมีความคลาดเคลื่อน ต้องยืนยันด้วยการวัดจริง

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. ถ้ารอบหมุนเพิ่มเป็นสองเท่า แรงขับและกำลังเพิ่มกี่เท่า
2. ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มเป็นสองเท่าที่รอบหมุนเท่าเดิม แรงขับเพิ่มกี่เท่า
3. โดรน 2.0 kg สี่ใบพัด ต้องการแรงขับต่อมอเตอร์เท่าใดขณะลอยตัว
4. ระบบใช้กำลังรวม 400 W มีพลังงานใช้ได้ 160 Wh ลอยตัวได้ประมาณกี่นาที
5. eCalc ระบุความแม่นยำประมาณเท่าใด และควรใช้อย่างไร