多（duō）旋翼（yì）无人机已经（jīng）风（fēng）靡全球，开启了新的飞（fēi）行时代（dài）。从消费级无人机航拍市场的崛起，到（dào）无（wú）人（rén）机行业应用的不（bú）断涌现，无（wú）人机的应用（yòng）潜力正在不（bú）断地（dì）被开发出来（lái），社会对于无人（rén）机（jī）的接受程度也（yě）在不断增加。
可（kě）以料（liào）想，无人（rén）机在未来将给我们每（měi）一个人（rén）带来全新的生活体验——更好的视野，更高效的（de）配（pèi）置，更便（biàn）捷的出（chū）行等。而要实现这些，依靠的是技术的发展和创新。今天，我（wǒ）们就来看看多（duō）旋翼无人机核心系（xì）统之一——动力系统的发展历（lì）程和未来趋势（shì）。
多旋翼无人机动力（lì）系统由（yóu）电机、电调和螺旋桨构成，其（qí）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（xiàng）上的拉力，带（dài）动无（wú）人机向上飞行。
电（diàn）调和电机（jī）是无人机动力系统的核（hé）心（xīn），对（duì）于无人机的（de）整（zhěng）体稳定性和动态特性起着关键的作用。电调是电子（zǐ）调速（sù）器的简（jiǎn）称，英（yīng）文简称（chēng）ESC（Electronic Speed Control），作用是控制电机（jī）的运行，根据电机是否带物理换向器，分为（wéi）有刷电调和（hé）无刷电调。
目前（qián）无人机动力系（xì）统的配置均为无刷电（diàn）调和（hé）无刷电机（jī），有刷电调和有刷（shuā）电机因其缺陷太多已（yǐ）经基本退出了市场。无刷电调发展至今可以说历经了三代（dài），这三（sān）代无刷动（dòng）力系统在市场上均能找到，很（hěn）好地满足了不同无人（rén）机的（de）动（dòng）力需求（qiú）。下面分别介绍三代无（wú）刷电调及其特点和应（yīng）用场（chǎng）景。
BLDC电机俗称永磁无刷直（zhí）流电机，由定子（zǐ）绕（rào）组和转子永磁体（tǐ）构成，要使转子运（yùn）动必须存（cún）在旋转或运动的磁场。
在理想情况下BLDC电机气隙磁场（chǎng）为梯（tī）形波，定子采用集中整距绕（rào）组布置，反电动势为（wéi）标准的120度（dù）平顶梯形波。BLDC电（diàn）机（jī）具有很好的机械特性，与他励直流电机类似（sì），改变电（diàn）枢电压的（de）大小（xiǎo）可（kě）以改变机械特性上（shàng）的空载点。因此可（kě）以直接通过（guò）调节电枢（shū）电压来控制电机的转（zhuǎn）速。此时采用（yòng）二二导通的方（fāng）波（bō）驱（qū）动方式（shì）来（lái）控制（zhì）BLDC电机能得到（dào）最佳的控制效果（guǒ）。
第一代无刷（shuā）电调就是以（yǐ）BLDC（Brushless Direct Current，无刷直流）电机（jī）为载体的方波驱动电调。
方波驱动的（de）电（diàn）调采用PWM调制（zhì）技术来控制电机（jī）的（de）运行（háng）。该控制（zhì）方（fāng）法主要解决两个问题，一（yī）个是（shì）绕（rào）组换向问题，一（yī）个是调压问题。
通过（guò）反电动势过零点检测（cè），可以得到（dào）绕（rào）组的换（huàn）相逻（luó）辑。通过调节PWM占空比（bǐ）可（kě）以得到可调电压。将换相逻辑（jí）信号和调压信号一起调制得到PWM控制（zhì）信号来实（shí）现BLDC电机的（de）控制（zhì）。
方波电调具（jù）有控制简单，成本（běn）低的特点，在（zài）多旋（xuán）翼（yì）无人（rén）机领域（yù）得到了广泛的（de）应用。
但（dàn）是由方波电调（diào）驱（qū）动的BLDC电机输出（chū）转（zhuǎn）矩（jǔ）脉动大，动态响（xiǎng）应速（sù）度有限，同时在高（gāo）速运行时易（yì）出现堵转问题，因（yīn）此方波驱动电调并不能满足高（gāo）性能和（hé）重载无人机（jī）的（de）需求。
在中小功（gōng）率BLDC电机的实际应用中，往往通过合理设计（jì）磁极形状和（hé）允磁方向，采用斜槽、分数槽等（děng）措施，来消除（chú）齿槽转矩。这些措（cuò）施使得电机（jī）的反电动势更接近正弦，这类电机采用（yòng）三三（sān）导（dǎo）通的（de）控制方（fāng）式，即通（tōng）常（cháng）所说的正弦波驱动方（fāng）式，更有利（lì）于减小电磁转矩脉动。
第二代无（wú）刷（shuā）电调就是以BLDC电机为载体的正弦波驱动电调。正（zhèng）弦波驱动电调采用SPWM调制技术来实现BLDC电机的控制（zhì），采用该控制（zhì）方式（shì）提高了BLDC电（diàn）机三相绕组的利（lì）用率，并可以消除二二导通时的换相转矩脉动和（hé）堵转问题。
当然（rán）由于（yú）其气隙磁场（chǎng）并（bìng）非（fēi）标准的正弦（xián）波，所以其（qí）输出（chū）转矩仍（réng）然存在脉动。实验（yàn）表明（míng），低（dī）速下，正（zhèng）弦波驱动电调比（bǐ）方波驱动电调转矩脉动（dòng）更小；高速（sù）下，二者转矩脉动相（xiàng）差不大，甚至正（zhèng）弦（xián）波驱动转矩脉动更大。在多旋翼航拍无人机上应（yīng）用表明，采用正弦波驱动电调，无人机更稳定。
显然以BLDC电（diàn）机为载体的正弦波驱动（dòng）电调并没有从根（gēn）本上解决转矩脉动问题和动（dòng）态响应问题，仍然难（nán）以满足重载和高性能（néng）多（duō）旋（xuán）翼无人机的动力需求。
随着无（wú）人机行业应用的（de）拓展，如植（zhí）保无人机、物流无人机的出现（xiàn），催生了第三代无刷电调的（de）产生。
第三代无（wú）刷（shuā）电调是以PMS（ Permanent Magnet Synchronous，永磁同步（bù））电机为载体的FOC（Field Oriented Control，磁（cí）场定向控制）电调（diào）。
FOC电调和PMS电机从根本（běn）上解（jiě）决了动力系统的（de）输（shū）出转（zhuǎn）矩脉动、换相堵转以（yǐ）及动态响应等问题，能够（gòu）满足重（chóng）载高性能无人机的动力需求。
PMS电机气隙磁场为（wéi）正弦波，产生的反（fǎn）电动势也为正弦（xián）波，当向PMS电机三相绕组通入三相对称（chēng）电流时（shí），三相绕组将产生圆形的旋（xuán）转磁场，带动转子永（yǒng）磁（cí）体同步（bù）旋（xuán）转。
FOC电调采用SVPWM调制技术，以产生圆形旋转（zhuǎn）磁（cí）场为目的来控制PMS电机。通过矢量控制，可以实现对电机（jī）的转速（sù）、转矩的平滑控制。同时（shí），SVPWM调制（zhì）相比SPWM调制对直流母线电压的利用率高15%左右。
目前，市场上所（suǒ）有（yǒu）的（de）多旋（xuán）翼无刷电调均为（wéi）以上三种，调制（zhì）方式依次为PWM调制（zhì）、SPWM调制和SVPWM调制，其他衍生出（chū）来的电调类型均是在（zài）这三种调制方式下增加一些其（qí）他技术而开发出来（lái）的。
由于无人机这（zhè）一相对（duì）苛刻的（de）应用环（huán）境，电调和电（diàn）机在技（jì）术（shù）上做了很多（duō）妥（tuǒ）协，二者（zhě）在技术上还有很多挖（wā）掘和优（yōu）化（huà）的（de）空间。
同时，为了增加无人机整机（jī）的控制性能，可以探（tàn）讨飞控与（yǔ）电机控（kòng）制（zhì）之间的联动（dòng）控制（zhì）可能性。
目（mù）前多旋翼飞行器使（shǐ）用的均为商（shāng）用无刷电调，其通过PWM信号（hào）进行控（kòng）制导（dǎo）致速度控制（zhì）频率刷（shuā）新有限（xiàn），主控制（zhì）器和电调之间（jiān）增加了一个多余的PWM信（xìn）号（hào）生成和解码（mǎ）过程，因此（cǐ）可以开发（fā）基于串口的电（diàn）调并由主控制器直接对（duì）电机进（jìn）行控制，减少不必要的中间环节。
其次，在多旋翼飞控系统中（zhōng），电（diàn）机速度控制（zhì）环（huán）是最里面一环，商用电调并不提（tí）供电机（jī）转速反馈，这对于飞控速度环来说，相（xiàng）当于开环控制。如果电调能够提供电机（jī）转速反馈，将反馈（kuì）值（zhí）融入到飞控（kòng）中，构成电机转速闭环控制，无人机的整（zhěng）体响应性能和稳定性能必能得到大幅（fú）提升。
总（zǒng）结来说，随着无人（rén）机广（guǎng）泛应用于工业场景（jǐng）或（huò）商（shāng）业场景，无（wú）人机对于动（dòng）力（lì）系统（tǒng）的动态（tài）响应性能和可靠性要求也在不（bú）断提高。除了（le）不断（duàn）优化电机和电调本身（shēn），寻求飞控与电机联动控制也是一个值得探索（suǒ）的方向（xiàng）。
咨询（xún）航（háng）拍服务可加昆明俊鹰（yīng）无（wú）人机飞控手老鹰的微信（xìn）laoyingfly |
