多旋翼無人機動力系統發展歷程

多旋翼無人機已經風靡全球，開啟了新的飛行時代。從消費級無人機航拍市場的崛起，到無人機行業應用的不斷湧現，無人機的應用潛力正在不斷地被開發出來，社會對於無人機的接受程度也在不斷增加。

可以料想，無人機在未來將給我們每一個人帶來全新的生活體驗——更好的視野，更高效的配置，更便捷的出行等。而要實現這些，依靠的是技術的發展和創新。今天，我們就來看看多旋翼無人機核心繫統之一——動力系統的發展歷程和未來趨勢。

多旋翼無人機動力系統由電機、電調和螺旋槳構成，其基本原理是由電調驅動電機帶動螺旋槳旋轉，螺旋槳產生向上的拉力，帶動無人機向上飛行。

電調和電機是無人機動力系統的核心，對於無人機的整體穩定性和動態特性起著關鍵的作用。電調是電子調速器的簡稱，英文簡稱ESC（Electronic Speed Control），作用是控制電機的運行，根據電機是否帶物理換向器，分為有刷電調和無刷電調。

目前無人機動力系統的配置均為無刷電調和無刷電機，有刷電調和有刷電機因其缺陷太多已經基本退出了市場。無刷電調發展至今可以說歷經了三代，這三代無刷動力系統在市場上均能找到，很好地滿足了不同無人機的動力需求。下面分別介紹三代無刷電調及其特點和應用場景。

BLDC電機俗稱永磁無刷直流電機，由定子繞組和轉子永磁體構成，要使轉子運動必須存在旋轉或運動的磁場。

在理想情況下BLDC電機氣隙磁場為梯形波，定子採用集中整距繞組布置，反電動勢為標準的120度平頂梯形波。BLDC電機具有很好的機械特性，與他勵直流電機類似，改變電樞電壓的大小可以改變機械特性上的空載點。因此可以直接通過調節電樞電壓來控制電機的轉速。此時採用二二導通的方波驅動方式來控制BLDC電機能得到最佳的控制效果。

第一代無刷電調就是以BLDC（Brushless Direct Current，無刷直流）電機為載體的方波驅動電調。

方波驅動的電調採用PWM調製技術來控制電機的運行。該控制方法主要解決兩個問題，一個是繞組換向問題，一個是調壓問題。

通過反電動勢過零點檢測，可以得到繞組的換相邏輯。通過調節PWM占空比可以得到可調電壓。將換相邏輯信號和調壓信號一起調製得到PWM控制信號來實現BLDC電機的控制。

方波電調具有控制簡單，成本低的特點，在多旋翼無人機領域得到了廣泛的應用。該類型電調是市場上最常見的電調，代表作有大疆E305動力系統等。

但是由方波電調驅動的BLDC電機輸出轉矩脈動大，動態響應速度有限，同時在高速運行時易出現堵轉問題，因此方波驅動電調並不能滿足高性能和重載無人機的需求。

我們知道大疆促進了無人機航拍市場的崛起和發展，正是為了滿足航拍對於穩定性的要求，催生了第二代無刷電調的產生。

在中小功率BLDC電機的實際應用中，往往通過合理設計磁極形狀和允磁方向，採用斜槽、分數槽等措施，來消除齒槽轉矩。這些措施使得電機的反電動勢更接近正弦，這類電機採用三三導通的控制方式，即通常所說的正弦波驅動方式，更有利於減小電磁轉矩脈動。

第二代無刷電調就是以BLDC電機為載體的正弦波驅動電調。正弦波驅動電調採用SPWM調製技術來實現BLDC電機的控制，採用該控制方式提高了BLDC電機三相繞組的利用率，並可以消除二二導通時的換相轉矩脈動和堵轉問題。

當然由於其氣隙磁場並非標準的正弦波，所以其輸出轉矩仍然存在脈動。實驗表明，低速下，正弦波驅動電調比方波驅動電調轉矩脈動更小；高速下，二者轉矩脈動相差不大，甚至正弦波驅動轉矩脈動更大。在多旋翼航拍無人機上應用表明，採用正弦波驅動電調，無人機更穩定。第二代無刷電調代表作有大疆E800、E310等等。

顯然以BLDC電機為載體的正弦波驅動電調並沒有從根本上解決轉矩脈動問題和動態響應問題，仍然難以滿足重載和高性能多旋翼無人機的動力需求。

隨著無人機行業應用的拓展，如植保無人機、物流無人機的出現，催生了第三代無刷電調的產生。

第三代無刷電調是以PMS（ Permanent Magnet Synchronous，永磁同步）電機為載體的FOC（Field Oriented Control，磁場定向控制）電調。

FOC電調和PMS電機從根本上解決了動力系統的輸出轉矩脈動、換相堵轉以及動態響應等問題，能夠滿足重載高性能無人機的動力需求。

PMS電機氣隙磁場為正弦波，產生的反電動勢也為正弦波，當向PMS電機三相繞組通入三相對稱電流時，三相繞組將產生圓形的旋轉磁場，帶動轉子永磁體同步旋轉。

FOC電調採用SVPWM調製技術，以產生圓形旋轉磁場為目的來控制PMS電機。通過矢量控制，可以實現對電機的轉速、轉矩的平滑控制。同時，SVPWM調製相比SPWM調製對直流母線電壓的利用率高15%左右。

目前，以PMS電機為載體的FOC電調代表作有大疆E5000動力系統，以及好盈XRotor植保機動力系統。

目前，市場上所有的多旋翼無刷電調均為以上三種，調製方式依次為PWM調製、SPWM調製和SVPWM調製，其他衍生出來的電調類型均是在這三種調製方式下增加一些其他技術而開發出來的。

在電調技術的改進和嘗試上，大疆做出了傑出貢獻，如推出業內首款正弦驅動架構電調，將磁通觀測技術、自適應控制技術應用於方波驅動等等。

由於無人機這一相對苛刻的應用環境，電調和電機在技術上做了很多妥協，二者在技術上還有很多挖掘和優化的空間。

同時，為了增加無人機整機的控制性能，可以探討飛控與電機控制之間的聯動控制可能性。

目前多旋翼飛行器使用的均為商用無刷電調，其通過PWM信號進行控制導致速度控制頻率刷新有限，主控制器和電調之間增加了一個多餘的PWM信號生成和解碼過程，因此可以開發基於串口的電調並由主控制器直接對電機進行控制，減少不必要的中間環節。

其次，在多旋翼飛控系統中，電機速度控制環是最裡面一環，商用電調並不提供電機轉速反饋，這對於飛控速度環來說，相當於開環控制。如果電調能夠提供電機轉速反饋，將反饋值融入到飛控中，構成電機轉速閉環控制，無人機的整體響應性能和穩定性能必能得到大幅提升。

總結來說，隨著無人機廣泛應用於工業場景或商業場景，無人機對於動力系統的動態響應性能和可靠性要求也在不斷提高。除了不斷優化電機和電調本身，尋求飛控與電機聯動控制也是一個值得探索的方向。

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