多旋翼无人机动力系统的发展历史

多旋翼无人机已经风靡全球，开启了飞行的新时代。从消费级无人机航拍市场的兴起，到无人机行业应用的不断涌现，无人机的应用潜力不断被开发，无人机的社会接受度也在不断提高。

可以预期，未来无人机将会给我们每个人带来全新的生活体验——更好的视野、更高效的配置、更便捷的出行等等。要做到这一点，就要靠技术的发展和创新。今天，我们就来看看多旋翼无人机的核心系统之一——动力系统的发展历史和未来趋势。

多旋翼无人机的动力系统由电机、电动机和螺旋桨组成。它的基本原理是电动机带动螺旋桨旋转，螺旋桨产生向上的拉力带动无人机向上飞行。

电谐波电机是无人机动力系统的核心，对无人机的整体稳定性和动态特性起着关键作用。电调是用来控制电机的运行。根据电机是否有物理换向器，分为有刷电调和无刷电调。

目前无人机的动力系统配置都是无刷电机和无刷电机。无刷电机和无刷电机由于缺陷太多，已经基本退出市场。到目前为止，可以说BLDCM的发展经历了三代。这三代无刷动力系统在市场上都可以找到，很好的满足了不同无人机的动力需求。以下是三代无刷电调，它们的特点和应用场景。

BLDC电机，俗称永磁无刷DC电机，由定子绕组和转子永磁体组成，必须有一个旋转或运动的磁场才能使转子运动。

理想情况下，BLDC电机的气隙磁场为梯形波，定子布置集中节距绕组，反电动势为标准的120度平顶梯形波。BLDC电机具有良好的机械特性。类似于他励DC电机，改变电枢电压可以改变空载点的机械特性。因此，可以通过调节电枢电压来直接控制电机的速度。此时，采用二对二导通的方波驱动方式来控制BLDC电机，可以获得最佳的控制效果。

第一代无刷电调是以BLDC电机为载体的方波驱动电调。

PWM调制技术用于控制方波驱动电调中电机的运行。这种控制方法主要解决两个问题，一是绕组换相，二是电压调节。

通过检测反电动势的过零点，可以得到绕组的换向逻辑。通过调节PWM占空比可以获得可调电压。换向逻辑信号和调压信号一起调制得到PWM控制信号，实现对BLDC电机的控制。

方波电调制具有控制简单、成本低廉的特点，在多旋翼无人机领域得到了广泛应用。

然而，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，高速时容易出现堵转问题，方波电调无法满足高性能、重型无人机的需求。

在中小功率BLDC电机的实际应用中，通常通过合理设计磁极形状和允许磁化方向，以及采用斜槽和分数槽等措施来消除齿槽转矩。这些措施使电机的反电动势更接近正弦波。这种电机采用三三导通的控制方式，即所谓的正弦波驱动方式，更有利于减小电磁转矩脉动。

第二代无刷电调是以BLDC电机为载体的正弦波驱动电调。采用SPWM调制技术实现正弦波驱动电调中BLDC电机的控制，提高了BLDC电机三相绕组的利用率，并能消除二对二导通时的换相转矩脉动和堵转。

当然，由于其气隙磁场不是标准正弦波，其输出转矩还是有脉动的。实验表明，在低速时，正弦波驱动电调的转矩脉动小于波驱动电调。在高速时，它们之间的转矩脉动相差不大，甚至正弦波驱动转矩脉动更大。在多旋翼航拍无人机中的应用表明，采用正弦波驱动电调，无人机更加稳定。

显然，以BLDC电机为载体的正弦波电调并没有从根本上解决转矩脉动和动态响应问题，仍然难以满足重型、高性能多旋翼无人机的动力要求。

随着无人机行业应用的发展，如植保无人机、物流无人机的出现，第三代无刷直流电机已经诞生。

第三代无刷电控是基于永磁电机的FOC(磁场定向控制)电控。

FOC电调和PMS电机从根本上解决了输出转矩脉动、换相和堵转以及电力系统动态响应等问题，能够满足重型、高性能无人机的动力需求。

PMS电机的气隙磁场是正弦波，产生的反电动势也是正弦波。当三相对称电流施加在永磁同步电机的三相绕组上时，三相绕组会产生一个圆形旋转磁场，带动转子永磁体同步旋转。

FOC电控采用SVPWM调制技术控制永磁同步电机，以产生圆形旋转磁场。通过矢量控制，可以平滑地控制电机的转速和转矩。同时，SVPWM调制对DC母线电压的利用率比SPWM调制高15%左右。

目前市面上的多转子无刷电调都是以上三种，调制方式依次为PWM调制、SPWM调制、SVPWM调制。通过在这三种调制模式上添加一些其他技术，开发了其他派生的电调制类型。

由于无人机的应用环境相对恶劣，电机和电动机在技术上做了很多妥协，技术上还有很大的挖掘和优化空间。

同时，为了提高无人机的控制性能，可以探讨飞行控制与电机控制联动控制的可能性。

目前商用的多旋翼飞行器使用的无刷电机都是PWM信号控制，导致调速频率刷新有限，在主控制器和电机之间增加了额外的PWM信号产生和解码过程，因此可以开发基于串口的电机，主控制器可以直接控制电机，减少不必要的中间环节。

其次，在多旋翼飞控系统中，电机速度控制回路是最里面的回路，商用电控不提供电机速度反馈，对于飞控速度回路相当于开环控制。如果电控能够提供电机转速反馈，并将反馈值整合到飞行控制中，形成电机转速闭环控制，无人机的整体响应性和稳定性将会大大提高。

综上所述，随着无人机广泛应用于工业或商业场景，无人机对电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控本身，寻求飞控和电机的联动控制也是一个值得探索的方向。