多旋翼无人机动力系统发展历程

多旋翼无人机动力系统发展历程

多旋翼无人机已经风靡全球，开启了新的飞行时代。从消费级无人机航拍市场的崛起，到无人机行业应用的不断涌现，无人机的应用潜力正在不断地被开发出来，社会对于无人机的接受程度也在不断增加。

可以料想，无人机在未来将给我们每一个人带来全新的生活体验——更好的视野，更高效的配置，更便捷的出行等。而要实现这些，依靠的是技术的发展和创新。今天，我们就来看看多旋翼无人机核心系统之一——动力系统的发展历程和未来趋势。

多旋翼无人机动力系统由电机、电调和螺旋桨构成，其基本原理是由电调驱动电机带动螺旋桨旋转，螺旋桨产生向上的拉力，带动无人机向上飞行。

电调和电机是无人机动力系统的核心，对于无人机的整体稳定性和动态特性起着关键的作用。电调是电子调速器的简称，英文简称ESC（Electronic Speed Control），作用是控制电机的运行，根据电机是否带物理换向器，分为有刷电调和无刷电调。

目前无人机动力系统的配置均为无刷电调和无刷电机，有刷电调和有刷电机因其缺陷太多已经基本退出了市场。无刷电调发展至今可以说历经了三代，这三代无刷动力系统在市场上均能找到，很好地满足了不同无人机的动力需求。下面分别介绍三代无刷电调及其特点和应用场景。

BLDC电机俗称永磁无刷直流电机，由定子绕组和转子永磁体构成，要使转子运动必须存在旋转或运动的磁场。

在理想情况下BLDC电机气隙磁场为梯形波，定子采用集中整距绕组布置，反电动势为标准的120度平顶梯形波。BLDC电机具有很好的机械特性，与他励直流电机类似，改变电枢电压的大小可以改变机械特性上的空载点。因此可以直接通过调节电枢电压来控制电机的转速。此时采用二二导通的方波驱动方式来控制BLDC电机能得到最佳的控制效果。

第一代无刷电调就是以BLDC（Brushless Direct Current，无刷直流）电机为载体的方波驱动电调。

方波驱动的电调采用PWM调制技术来控制电机的运行。该控制方法主要解决两个问题，一个是绕组换向问题，一个是调压问题。

通过反电动势过零点检测，可以得到绕组的换相逻辑。通过调节PWM占空比可以得到可调电压。将换相逻辑信号和调压信号一起调制得到PWM控制信号来实现BLDC电机的控制。

方波电调具有控制简单，成本低的特点，在多旋翼无人机领域得到了广泛的应用。该类型电调是市场上最常见的电调，代表作有大疆E305动力系统等。

但是由方波电调驱动的BLDC电机输出转矩脉动大，动态响应速度有限，同时在高速运行时易出现堵转问题，因此方波驱动电调并不能满足高性能和重载无人机的需求。

我们知道大疆促进了无人机航拍市场的崛起和发展，正是为了满足航拍对于稳定性的要求，催生了第二代无刷电调的产生。

在中小功率BLDC电机的实际应用中，往往通过合理设计磁极形状和允磁方向，采用斜槽、分数槽等措施，来消除齿槽转矩。这些措施使得电机的反电动势更接近正弦，这类电机采用三三导通的控制方式，即通常所说的正弦波驱动方式，更有利于减小电磁转矩脉动。

第二代无刷电调就是以BLDC电机为载体的正弦波驱动电调。正弦波驱动电调采用SPWM调制技术来实现BLDC电机的控制，采用该控制方式提高了BLDC电机三相绕组的利用率，并可以消除二二导通时的换相转矩脉动和堵转问题。

当然由于其气隙磁场并非标准的正弦波，所以其输出转矩仍然存在脉动。实验表明，低速下，正弦波驱动电调比方波驱动电调转矩脉动更小；高速下，二者转矩脉动相差不大，甚至正弦波驱动转矩脉动更大。在多旋翼航拍无人机上应用表明，采用正弦波驱动电调，无人机更稳定。第二代无刷电调代表作有大疆E800、E310等等。

显然以BLDC电机为载体的正弦波驱动电调并没有从根本上解决转矩脉动问题和动态响应问题，仍然难以满足重载和高性能多旋翼无人机的动力需求。

随着无人机行业应用的拓展，如植保无人机、物流无人机的出现，催生了第三代无刷电调的产生。

第三代无刷电调是以PMS（Permanent Magnet Synchronous，永磁同步）电机为载体的FOC（Field Oriented Control，磁场定向控制）电调。

FOC电调和PMS电机从根本上解决了动力系统的输出转矩脉动、换相堵转以及动态响应等问题，能够满足重载高性能无人机的动力需求。

PMS电机气隙磁场为正弦波，产生的反电动势也为正弦波，当向PMS电机三相绕组通入三相对称电流时，三相绕组将产生圆形的旋转磁场，带动转子永磁体同步旋转。

FOC电调采用SVPWM调制技术，以产生圆形旋转磁场为目的来控制PMS电机。通过矢量控制，可以实现对电机的转速、转矩的平滑控制。同时，SVPWM调制相比SPWM调制对直流母线电压的利用率高15%左右。

目前，以PMS电机为载体的FOC电调代表作有大疆E5000动力系统，以及好盈XRotor植保机动力系统。

目前，市场上所有的多旋翼无刷电调均为以上三种，调制方式依次为PWM调制、SPWM调制和SVPWM调制，其他衍生出来的电调类型均是在这三种调制方式下增加一些其他技术而开发出来的。

在电调技术的改进和尝试上，大疆做出了杰出贡献，如推出业内首款正弦驱动架构电调，将磁通观测技术、自适应控制技术应用于方波驱动等等。

由于无人机这一相对苛刻的应用环境，电调和电机在技术上做了很多妥协，二者在技术上还有很多挖掘和优化的空间。

同时，为了增加无人机整机的控制性能，可以探讨飞控与电机控制之间的联动控制可能性。

目前多旋翼飞行器使用的均为商用无刷电调，其通过PWM信号进行控制导致速度控制频率刷新有限，主控制器和电调之间增加了一个多余的PWM信号生成和解码过程，因此可以开发基于串口的电调并由主控制器直接对电机进行控制，减少不必要的中间环节。

其次，在多旋翼飞控系统中，电机速度控制环是最里面一环，商用电调并不提供电机转速反馈，这对于飞控速度环来说，相当于开环控制。如果电调能够提供电机转速反馈，将反馈值融入到飞控中，构成电机转速闭环控制，无人机的整体响应性能和稳定性能必能得到大幅提升。

总结来说，随着无人机广泛应用于工业场景或商业场景，无人机对于动力系统的动态响应性能和可靠性要求也在不断提高。除了不断优化电机和电调本身，寻求飞控与电机联动控制也是一个值得探索的方向。

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