多旋翼無人機(jī)已經(jīng)風(fēng)靡全球，開啟了新的飛行時(shí)代,。從消費(fèi)級無人機(jī)航拍市場的崛起,，到無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，無人機(jī)的應(yīng)用潛力正在不斷地被開發(fā)出來,，社會對于無人機(jī)的接受程度也在不斷增加,。

可以料想，無人機(jī)在未來將給我們每一個(gè)人帶來全新的生活體驗(yàn)——更好的視野,，更高效的配置,，更便捷的出行等。而要實(shí)現(xiàn)這些,，依靠的是技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,。今天，我們就來看看多旋翼無人機(jī)核心系統(tǒng)之一——動力系統(tǒng)的發(fā)展歷程和未來趨勢,。

多旋翼無人機(jī)動力系統(tǒng)由電機(jī),、電調(diào)和螺旋槳構(gòu)成，其基本原理是由電調(diào)驅(qū)動電機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn),，螺旋槳產(chǎn)生向上的拉力,，帶動無人機(jī)向上飛行。

電調(diào)和電機(jī)是無人機(jī)動力系統(tǒng)的核心,，對于無人機(jī)的整體穩(wěn)定性和動態(tài)特性起著關(guān)鍵的作用,。電調(diào)是電子調(diào)速器的簡稱，英文簡稱ESC（Electronic Speed Control），作用是控制電機(jī)的運(yùn)行,，根據(jù)電機(jī)是否帶物理換向器,，分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。

目前無人機(jī)動力系統(tǒng)的配置均為無刷電調(diào)和無刷電機(jī),，有刷電調(diào)和有刷電機(jī)因其缺陷太多已經(jīng)基本退出了市場,。無刷電調(diào)發(fā)展至今可以說歷經(jīng)了三代，這三代無刷動力系統(tǒng)在市場上均能找到,，很好地滿足了不同無人機(jī)的動力需求,。下面分別介紹三代無刷電調(diào)及其特點(diǎn)和應(yīng)用場景。

BLDC電機(jī)俗稱永磁無刷直流電機(jī),，由定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁體構(gòu)成,，要使轉(zhuǎn)子運(yùn)動必須存在旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動的磁場。

在理想情況下BLDC電機(jī)氣隙磁場為梯形波,，定子采用集中整距繞組布置,，反電動勢為標(biāo)準(zhǔn)的120度平頂梯形波。BLDC電機(jī)具有很好的機(jī)械特性,，與他勵直流電機(jī)類似,，改變電樞電壓的大小可以改變機(jī)械特性上的空載點(diǎn)。因此可以直接通過調(diào)節(jié)電樞電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。此時(shí)采用二二導(dǎo)通的方波驅(qū)動方式來控制BLDC電機(jī)能得到最佳的控制效果,。

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

方波驅(qū)動的電調(diào)采用PWM調(diào)制技術(shù)來控制電機(jī)的運(yùn)行,。該控制方法主要解決兩個(gè)問題，一個(gè)是繞組換向問題,，一個(gè)是調(diào)壓問題,。

通過反電動勢過零點(diǎn)檢測，可以得到繞組的換相邏輯,。通過調(diào)節(jié)PWM占空比可以得到可調(diào)電壓,。將換相邏輯信號和調(diào)壓信號一起調(diào)制得到PWM控制信號來實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)的控制。

方波電調(diào)具有控制簡單,，成本低的特點(diǎn),，在多旋翼無人機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該類型電調(diào)是市場上最常見的電調(diào),，代表作有大疆E305動力系統(tǒng)等,。

但是由方波電調(diào)驅(qū)動的BLDC電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動大，動態(tài)響應(yīng)速度有限,，同時(shí)在高速運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)問題,，因此方波驅(qū)動電調(diào)并不能滿足高性能和重載無人機(jī)的需求,。

我們知道大疆促進(jìn)了無人機(jī)航拍市場的崛起和發(fā)展，正是為了滿足航拍對于穩(wěn)定性的要求,，催生了第二代無刷電調(diào)的產(chǎn)生。

在中小功率BLDC電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中,，往往通過合理設(shè)計(jì)磁極形狀和允磁方向,，采用斜槽、分?jǐn)?shù)槽等措施,，來消除齒槽轉(zhuǎn)矩,。這些措施使得電機(jī)的反電動勢更接近正弦，這類電機(jī)采用三三導(dǎo)通的控制方式,，即通常所說的正弦波驅(qū)動方式,，更有利于減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動。

第二代無刷電調(diào)就是以BLDC電機(jī)為載體的正弦波驅(qū)動電調(diào),。正弦波驅(qū)動電調(diào)采用SPWM調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)的控制,，采用該控制方式提高了BLDC電機(jī)三相繞組的利用率，并可以消除二二導(dǎo)通時(shí)的換相轉(zhuǎn)矩脈動和堵轉(zhuǎn)問題,。

當(dāng)然由于其氣隙磁場并非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,，所以其輸出轉(zhuǎn)矩仍然存在脈動。實(shí)驗(yàn)表明,，低速下,，正弦波驅(qū)動電調(diào)比方波驅(qū)動電調(diào)轉(zhuǎn)矩脈動更小,；高速下,，二者轉(zhuǎn)矩脈動相差不大，甚至正弦波驅(qū)動轉(zhuǎn)矩脈動更大,。在多旋翼航拍無人機(jī)上應(yīng)用表明,，采用正弦波驅(qū)動電調(diào)，無人機(jī)更穩(wěn)定,。第二代無刷電調(diào)代表作有大疆E800,、E310等等。

顯然以BLDC電機(jī)為載體的正弦波驅(qū)動電調(diào)并沒有從根本上解決轉(zhuǎn)矩脈動問題和動態(tài)響應(yīng)問題,，仍然難以滿足重載和高性能多旋翼無人機(jī)的動力需求,。

隨著無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用的拓展，如植保無人機(jī),、物流無人機(jī)的出現(xiàn),，催生了第三代無刷電調(diào)的產(chǎn)生。

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

FOC電調(diào)和PMS電機(jī)從根本上解決了動力系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動、換相堵轉(zhuǎn)以及動態(tài)響應(yīng)等問題,，能夠滿足重載高性能無人機(jī)的動力需求,。

PMS電機(jī)氣隙磁場為正弦波，產(chǎn)生的反電動勢也為正弦波,，當(dāng)向PMS電機(jī)三相繞組通入三相對稱電流時(shí),，三相繞組將產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，帶動轉(zhuǎn)子永磁體同步旋轉(zhuǎn),。

FOC電調(diào)采用SVPWM調(diào)制技術(shù),，以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目的來控制PMS電機(jī)。通過矢量控制,，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)矩的平滑控制。同時(shí),，SVPWM調(diào)制相比SPWM調(diào)制對直流母線電壓的利用率高15%左右,。

目前，以PMS電機(jī)為載體的FOC電調(diào)代表作有大疆E5000動力系統(tǒng),，以及好盈XRotor植保機(jī)動力系統(tǒng),。

目前，市場上所有的多旋翼無刷電調(diào)均為以上三種,，調(diào)制方式依次為PWM調(diào)制,、SPWM調(diào)制和SVPWM調(diào)制，其他衍生出來的電調(diào)類型均是在這三種調(diào)制方式下增加一些其他技術(shù)而開發(fā)出來的,。

在電調(diào)技術(shù)的改進(jìn)和嘗試上,，大疆做出了杰出貢獻(xiàn)，如推出業(yè)內(nèi)首款正弦驅(qū)動架構(gòu)電調(diào),，將磁通觀測技術(shù),、自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于方波驅(qū)動等等。

由于無人機(jī)這一相對苛刻的應(yīng)用環(huán)境,，電調(diào)和電機(jī)在技術(shù)上做了很多妥協(xié),，二者在技術(shù)上還有很多挖掘和優(yōu)化的空間。

同時(shí),，為了增加無人機(jī)整機(jī)的控制性能,，可以探討飛控與電機(jī)控制之間的聯(lián)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(diào),，其通過PWM信號進(jìn)行控制導(dǎo)致速度控制頻率刷新有限,，主控制器和電調(diào)之間增加了一個(gè)多余的PWM信號生成和解碼過程，因此可以開發(fā)基于串口的電調(diào)并由主控制器直接對電機(jī)進(jìn)行控制,，減少不必要的中間環(huán)節(jié),。

其次,，在多旋翼飛控系統(tǒng)中，電機(jī)速度控制環(huán)是最里面一環(huán),，商用電調(diào)并不提供電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋,，這對于飛控速度環(huán)來說，相當(dāng)于開環(huán)控制,。如果電調(diào)能夠提供電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋,，將反饋值融入到飛控中，構(gòu)成電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,，無人機(jī)的整體響應(yīng)性能和穩(wěn)定性能必能得到大幅提升。

總結(jié)來說,，隨著無人機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)場景或商業(yè)場景,，無人機(jī)對于動力系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和可靠性要求也在不斷提高。除了不斷優(yōu)化電機(jī)和電調(diào)本身,，尋求飛控與電機(jī)聯(lián)動控制也是一個(gè)值得探索的方向,。