无人机动力系统研究

田汉+曹著明

摘 要：无人机系统中的动力装置是无人机的主要关键技术之一，它直接影响到无人机的性能、成本和可靠性。现在主要用于军用和民用，具有较好的发展趋势。就目前来看，无人机的动力还是有3种不同的设备来提供。无刷电机因其具有高效率（通常大于80%）、低能耗、低噪音等优势，是本文的主要研究对象。通过对电机的结构及原理进行深入的研究和了解。知道了无刷直流電机采用的电刷装置不是一般传统的装置，且换向器也不一样，转子的材料也有了改变，可以说从性能上看是现在最理想的调速电机。

关键词：无人机；动力系统；无刷电机；研究

1 无人机动力系统

动力系统对于无人机来说是至关重要的。无人机动力系统主要部件是电机（负责带动螺旋桨），电调（负责控制电机转速电池），电池（负责给动力系统）及螺旋桨（将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置）。电机由电动机主体和驱动器组成，无刷电机在我们国家因其日益成熟的技术、广泛的应用和产量、价格的原因，在短时间内，得到了快速的发展。又因为它的生产成本比较低、技术的快速发展已经在多个领域得到了应用。从电动遥控车到电动遥控船再到电动模型飞机，目前它正进入模型领域的各个层面，，无处不在。之所以说动力系统是至关重要的，是因为动力系统各个部分之间是否匹配、动力系统与整机是否匹配，直接影响到整机效率、稳定性。

无人机动力系统原理，如图1所示。

无人机的电机主要以无刷电机为主，一头用于固定在飞机架的电机座上，一头用于固定螺旋桨，通过螺旋桨的旋转产生向下的推力。不同规格、功率的电机配合不同大小、负载的机架，效率对于电机来说才是最主要的，而不是说越大越好。单独的电机是不能工作的，需要电调的配合，它可以控制电机的转速。和电机一样，不同规格的电调配合着不同负载的动力系统，虽然电调用大了没太大影响，但是效率就会下降，因为电调大了，质量也就重了；是，同样以高效率为第一目直接产生推力的部件------螺旋桨。相互匹配的电机、电调和螺旋桨在一起搭配时，可以在相同的推力下耗用更少的电量，这样就可以提高无人机的续航能力。锂聚合物电池是现在无人机主要使用的电池，它具有能量密度大、重量轻、耐电流数值较高等优势，而这些优势对于无人机来说都是较为适合的。虽然手机领域也有部分使用锂聚合物电池，但就充、放电能力而言远远不及无人机的这些电池。由于这些电池被使用在无人机的动力系统，所以也会被叫做“动力电池”。无刷电机的主要优缺点为势如下：

电机结构如图2所示：

无刷电机从字面上可以看出它没有电刷，所以在电机运行时就避免了产生火花的问题，从而就消除了火花对遥控设备的干扰。然后正是因为没有了电刷的干扰，电机在工作时就大大减少了摩擦，工作时就会特别顺利，减少了许多噪音，对于无人机来说是一个巨大的优势。再从工作时间上看，无刷电机的工作时间比有刷电机的工作时间提高很多，也就是说它的寿命比较长，通常是有刷电机的10倍以上。再从维护方面看无刷电机因为没有了电刷，所以它就省去了很多维修方面的时间与精力。相对与有刷电机费时费力的维护也算是一个大的优势了。在一般控制要求比较高，转速比较高的设备上通常使用的是无刷电机，比如那些精密的仪器，它对于电机的使用寿命和精度都有较大的要求，而无刷电机不需要费时费力的维护和使用寿命长的特点就很符合这样的要求。所以说无刷电机相比较有刷电机有着很大的优势。

2 无刷电机的结构及原理

无刷电机在结构上与有刷电机相似，都有定子和转子，但与有刷电机不同的是，结构与有刷电机相反；有刷电机的定子是永磁磁钢，转子是线圈绕组，并与动力输出轴相连，而无刷电机则两者互换，且连同外壳一起和输出轴相连，最本质的是去掉了作用于有刷电机交替变换电磁场的换向电刷，因此称之为无刷电机。电机工作原理图，如下图所示：

简言之，无刷电机的是依靠变换输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形的运行原理，在绕组线圈的周围形成一个以绕电机几何轴心旋转的磁场，在这个磁场的驱动下，驱动转子上的永磁磁钢转动，从而实现电机的转动。定子是由硅钢片组成的，每一个冲槽里面都是由一定的线圈组成，转子是永磁钢。当我们给无刷电机里面的定子通上电时，霍尔传感器就会感应到定子的位置，然后每一次换向时，有三组不同的绕组，第一组正向通电，那么第二组就是反向的，第三组就不通电，这样就产生了转矩。无刷直流电动机用来实现电子换向的是半导体开关器件，即将传统的接触式换向器和电刷用电子开关器件代，就要使用替。因为无刷直流电动机具有明显的优势，所以它才会被广泛应用于高档录音座、电子仪器及自动化办公设备，这是它的可靠性、无换向火花、机械噪声低等优势，无刷直流电动机由永磁体转子、位置传感器、多极绕组定子等组成。位置传感器按照转子位置的变化，沿着一定顺序对定子绕组的电流进行换流。而位置传感器输出控制的电子开关电路提供定子绕组的工作电压。位置传感器有光电式、磁敏式、和电磁式三种类型。

3 无刷电机调试

无刷电机调速通过PWM实现，采用UC3637双PWM输出调制芯片作为实现的手段，UC3637是一种设计用于需要双向驱动电路的PWM型电机驱动的PWM单向电路，作为常规驱动控制芯片的替换，这种电路能增加效率并减少元器件成本。速度误差调制信号送入该集成电路后，形成两路互补型双向脉宽输出，这两路输出信号与误差调制信号的幅值成正比，且与极性相关，因此可构成双向的调速系统，如图5所示。

无刷电机的输入电压与电机空转转速呈线性关系，所以KV值的意思是当输入电压每增加1V时，电机空转时增加的转速值。而且还开阔性的表示了电机的一个性能。无刷电机KV的意义，肯定会让你知道更多，无刷电机KV值有低有高，大约在1-6千，对于无刷电机这个值来说，它是个常量。对于相同规格的无刷电机来说：绕线的匝数多的，KV值反而低，最高输出的电流小，但扭力大；反之，则相反。不可以单从电机的KV值来评价电机的好与坏，因为不同的场可能只合适用与其相对应KV值的电机：低电压环境（7.4V）和高电压环境（11.1V）两个环境KV值高低不同时，所用的螺旋桨是不一样的。若转速低的就应该使用较大的螺旋桨，因为它需要提升电流，来输出较大的电流。同理，当转速高时较小的螺旋桨，这样做是为了避免电流过大。所以选用什么规格的无刷电机，有环境等许多因素限制，要根据合适的场合来使用.

5 小结

直流无刷电动机在日常生活中具有广泛的应用，本文通过对无刷电机的动力系统及结构、工作原理、优势进行了分析，明白了关于无刷电机的方方面面，对于如何选用何种规格的电机也有了一定的了解。需要注意的是，虽然无刷电机不需要费时费力的维护，但还是要定期维护而且需要根据环境来选用合适的电机。现在无刷电机已经被应用到各个领域了，在以后相信无刷电机的应用更为广泛，所以多多了解关于无刷电机对我们是受益匪浅的。

参考文献

[1] 于维顺.无刷直流电动机驱动电路分析[J].江苏机械制造与自动化.1998（6）： 33-35.

[2] 张琛编著.直流无刷电动机原理及应用[M].机械工业出版社，1996.

[3] 叶金虎等.编著无刷直流电动机[M].科学出版社，1982.

[4] 陈小永.直流无刷电机控制技术研发[D].中国石油大学 2008

[5] 陈李文，马国军，张家栋.四轴飞行器无刷直流电机驱动技术研究[J].现代电子技术.2013（16）： 152-154 .

[6] 何帅，裴信彪，宫勋，徐东甫，白越，续志军.多旋翼无人机直流电机驱动系统优化[J].电子技术应用， 2016（9）： 2-5+9.endprint