多旋翼无人(rén)机(jī)已经风靡全球,开启了(le)新(xīn)的飞(fēi)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(duàn)涌现,无人机的应用潜(qián)力正在不断(duàn)地被开(kāi)发出来,社会对(duì)于无人(rén)机的接(jiē)受程(chéng)度(dù)也在不断增加。
可以料(liào)想,无人机在未来将(jiāng)给(gěi)我们每一个人带来全新的生(shēng)活体验——更(gèng)好的视野(yě),更高(gāo)效的配置,更便捷的(de)出行等。而要实现(xiàn)这些,依(yī)靠(kào)的是(shì)技术的发展和创新。今(jīn)天,我们就来看看多旋翼无(wú)人(rén)机(jī)核心系统之一——动力系统的发展历程和(hé)未来(lái)趋势。
多(duō)旋翼无人机动(dòng)力系(xì)统由电(diàn)机(jī)、电(diàn)调和(hé)螺旋桨构成,其基本原(yuán)理是由电调驱动电机带动螺旋桨旋转,螺旋桨产生向上(shàng)的拉力,带动(dòng)无人机向上飞行(háng)。
电调和电(diàn)机是无人(rén)机动力(lì)系统的核心,对于无人机的整体稳(wěn)定性和动态特性起着(zhe)关键的作用。电调是(shì)电子调速器的简(jiǎn)称,英文简称ESC(Electronic Speed Control),作用是控制电(diàn)机的运行,根据(jù)电机是(shì)否带(dài)物理换向(xiàng)器(qì),分为(wéi)有刷电调和无刷电调(diào)。
目前无人(rén)机动力系统的配置均为(wéi)无刷电调(diào)和无刷电机,有刷(shuā)电调和有刷电机因其缺陷太多(duō)已(yǐ)经基本退出了市场。无刷电(diàn)调发展至今可(kě)以(yǐ)说历经(jīng)了三代,这三代无刷动力系统(tǒng)在市(shì)场上均能(néng)找到,很好地满(mǎn)足了不(bú)同无人机的(de)动(dòng)力需求(qiú)。下面分别介(jiè)绍三代无(wú)刷电调及其特点和应用场景(jǐng)。
BLDC电机俗称永磁无刷直流电机,由定子绕组和转子永磁体(tǐ)构(gòu)成,要使转子运动必须存在旋(xuán)转(zhuǎn)或运动的磁场。
在理(lǐ)想(xiǎng)情况下BLDC电机气(qì)隙(xì)磁场为梯(tī)形波,定子采用集(jí)中整距绕(rào)组布置,反电动势(shì)为标准的120度(dù)平顶梯(tī)形(xíng)波。BLDC电机具有很好的机械(xiè)特(tè)性,与他励(lì)直流电机类似,改变电枢电压(yā)的大小(xiǎo)可以改变机(jī)械特(tè)性上的空载点(diǎn)。因此可以直接通过调节电枢(shū)电压来控制电机的(de)转速。此时采用二二导通的方波驱动(dòng)方式来控制BLDC电机能得(dé)到最佳的控(kòng)制效果(guǒ)。
第一代无刷电调(diào)就是以BLDC(Brushless Direct Current,无刷直流)电(diàn)机为载体的(de)方波(bō)驱(qū)动电(diàn)调。
方波驱动的电调采用PWM调制技术来控制电机的运(yùn)行。该控制方法主要解决两(liǎng)个问(wèn)题,一个是(shì)绕组换(huàn)向(xiàng)问题,一个是调压问题。
通过反电动势过零点(diǎn)检测,可以得到绕(rào)组的(de)换相逻辑。通过(guò)调节PWM占空比可以(yǐ)得(dé)到可调电压。将换相逻辑信(xìn)号和调(diào)压(yā)信号一起调制得到PWM控制信号来(lái)实现BLDC电机的控制。
方波电调具(jù)有控制简(jiǎn)单,成本低的(de)特点,在多旋翼无人机领域得到了广泛的(de)应用。
但是由方波(bō)电调驱动的BLDC电机输(shū)出转矩脉(mò)动(dòng)大,动态响应速度有限,同时在高速运(yùn)行时易(yì)出现堵转问题,因此方(fāng)波(bō)驱(qū)动电调并不能(néng)满足高性能和重载无人机的需求。
在中小功(gōng)率BLDC电机的实际应用(yòng)中,往(wǎng)往通(tōng)过合(hé)理设(shè)计(jì)磁极(jí)形(xíng)状和允磁方向,采(cǎi)用斜(xié)槽(cáo)、分数槽等措施,来消除齿槽转矩。这(zhè)些措施使得电机(jī)的反电动势更接近正弦(xián),这类(lèi)电机采用(yòng)三三导通(tōng)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(dòng)。
第二代无刷电调就是以BLDC电机为(wéi)载体的(de)正弦波(bō)驱动电调。正弦(xián)波驱动电调采用(yòng)SPWM调制(zhì)技(jì)术(shù)来实现(xiàn)BLDC电机的控制(zhì),采用该(gāi)控制方式(shì)提高了BLDC电机三相绕组的利用率,并可以消(xiāo)除二(èr)二导通时的换相转矩脉动和堵转(zhuǎn)问题。
当然由于(yú)其气隙磁(cí)场并非(fēi)标准的正弦(xián)波,所以其(qí)输出转矩仍然(rán)存在脉动。实验表明,低速下,正弦波驱动电调比方波(bō)驱动电调转矩脉动(dòng)更小;高速下(xià),二者转矩脉动相差不大,甚至正弦波驱动转矩脉动更大(dà)。在多旋翼航拍无人机上应用表明,采用正(zhèng)弦(xián)波(bō)驱动电调,无人(rén)机更稳(wěn)定。
显(xiǎn)然以BLDC电机为载体(tǐ)的正弦波驱(qū)动电调并没有从根本上解(jiě)决转矩脉动问题和动态响应问题(tí),仍然难以满足重载和高性能(néng)多旋翼(yì)无人机的动力(lì)需(xū)求。
随着无人机(jī)行业(yè)应用的拓(tuò)展,如植保无人机、物流无人机的出现(xiàn),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(cí)同步)电机(jī)为(wéi)载(zǎi)体的FOC(Field Oriented Control,磁场定(dìng)向控制)电(diàn)调。
FOC电调和(hé)PMS电(diàn)机从根本上解(jiě)决了(le)动力系统的输出转矩脉动、换(huàn)相堵转以及动态响应等问(wèn)题,能够满足重载高(gāo)性能(néng)无人机的动(dòng)力(lì)需求。
PMS电机气隙磁(cí)场(chǎng)为正弦波(bō),产生的反电动势也为正弦(xián)波,当向PMS电机(jī)三相绕组通入三相对称电流时(shí),三相绕组(zǔ)将产生(shēng)圆形的旋转磁场,带动(dòng)转子永(yǒng)磁(cí)体同(tóng)步旋转。
FOC电调采用(yòng)SVPWM调制技术(shù),以产生(shēng)圆(yuán)形旋转磁场(chǎng)为目(mù)的来控(kòng)制PMS电机。通(tōng)过矢量(liàng)控制,可以(yǐ)实现对电机的转速、转矩的平滑控(kòng)制(zhì)。同时,SVPWM调制相比SPWM调制对(duì)直流母线电压的(de)利(lì)用率高15%左(zuǒ)右。
目前,市场上所有的多旋翼无刷电调均(jun1)为以(yǐ)上三(sān)种,调制方(fāng)式依(yī)次为(wéi)PWM调制、SPWM调(diào)制(zhì)和SVPWM调制,其他(tā)衍(yǎn)生(shēng)出来的电调类型均(jun1)是在(zài)这三种调(diào)制方式下增加一些其(qí)他技术(shù)而开发出来(lái)的。
由于无人机(jī)这一(yī)相对苛刻的应(yīng)用环(huán)境(jìng),电调和电(diàn)机在(zài)技术上做了(le)很多妥协,二者在技术上还有很多(duō)挖掘和优化的空间(jiān)。
同时,为了增加无人机整(zhěng)机的控制性能,可(kě)以探讨(tǎo)飞控(kòng)与电(diàn)机控(kòng)制之间的(de)联动控(kòng)制可(kě)能性(xìng)。
目前多旋翼飞行器使用(yòng)的均为商用无刷电调,其通过(guò)PWM信号进行控制(zhì)导(dǎo)致速度控制频率刷新有限,主(zhǔ)控制器和电调之间增加了一个多(duō)余的PWM信号生(shēng)成和解码(mǎ)过程,因此可以开发基(jī)于串(chuàn)口的电调并由主控制器直接对电机进(jìn)行控(kòng)制,减少不必要的中间环(huán)节。
其次,在多旋翼飞控系统中,电机(jī)速度控制环是最里面(miàn)一环,商(shāng)用电(diàn)调并(bìng)不提供(gòng)电机转速反馈(kuì),这对于(yú)飞控速度环来说,相当于(yú)开环控制。如(rú)果电调能够提供(gòng)电机转速反馈,将反馈值融入到飞控(kòng)中,构成电(diàn)机转速闭环(huán)控制,无(wú)人机的整体响应性能和稳定(dìng)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(jǐng)或商业场(chǎng)景,无人(rén)机对(duì)于动力系统的动态(tài)响应(yīng)性能和可靠性要求也在不断提高(gāo)。除了不断优化电机和电调(diào)本身,寻(xún)求飞控与电机(jī)联(lián)动控制(zhì)也是(shì)一(yī)个值得探索(suǒ)的方向。

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