多旋翼（yì）无人（rén）机已（yǐ）经风（fēng）靡全球（qiú），开启了（le）新的飞行时（shí）代。从消费级无（wú）人机航拍市场的崛（jué）起，到（dào）无（wú）人（rén）机（jī）行业应用的不断涌现（xiàn），无人机的应用潜力正（zhèng）在不（bú）断地被开发出来，社（shè）会对于（yú）无人机（jī）的（de）接受程度也在（zài）不断（duàn）增加。
可以料想，无人机在未（wèi）来（lái）将给我们每一（yī）个人带来全新的生活体（tǐ）验（yàn）——更（gèng）好的视野（yě），更高效的配置，更便捷的（de）出行等（děng）。而要实现这些（xiē），依靠的是（shì）技术的发展（zhǎn）和（hé）创新（xīn）。今天，我们就来看（kàn）看多旋翼无人（rén）机（jī）核（hé）心系（xì）统之（zhī）一——动力系统的（de）发展历（lì）程（chéng）和未来趋势。
多旋翼无人机动力系统由电（diàn）机、电调和螺（luó）旋桨构成（chéng），其基本（běn）原理是由电调驱动电机带（dài）动螺旋（xuán）桨旋转，螺旋桨产生向上的（de）拉（lā）力，带动无人机向上飞（fēi）行。
电调和电机是无（wú）人机动力（lì）系统的核心（xīn），对于（yú）无人机的整体稳（wěn）定性和动态特性起着（zhe）关（guān）键的作用。电调（diào）是电子调速器（qì）的简（jiǎn）称，英文简称（chēng）ESC（Electronic Speed Control），作用是控制（zhì）电机（jī）的运行（háng），根据电机是（shì）否带物理换向器（qì），分为有刷电调（diào）和无刷电调。
目（mù）前无人机动力（lì）系统的配置均为（wéi）无刷电调和无刷（shuā）电机，有刷电调（diào）和（hé）有（yǒu）刷（shuā）电机（jī）因（yīn）其缺陷太（tài）多已经基（jī）本退出了市场。无（wú）刷电调发展至今可以（yǐ）说历（lì）经了（le）三代，这（zhè）三代无（wú）刷动力系统在市场上均能找到（dào），很（hěn）好地满足了不同无人机的（de）动力需求。下面（miàn）分别介绍三代（dài）无刷电（diàn）调（diào）及其特（tè）点和应用场景。
BLDC电机（jī）俗称永（yǒng）磁无刷直流（liú）电（diàn）机，由定（dìng）子绕组和转子（zǐ）永磁体构成，要使（shǐ）转（zhuǎn）子运动必须存在旋转或（huò）运（yùn）动（dòng）的磁（cí）场。
在理想情况下BLDC电机气隙（xì）磁场为（wéi）梯形波，定子采用集中整距绕组（zǔ）布置，反电（diàn）动势为（wéi）标准的120度平顶梯形波。BLDC电机具有很好（hǎo）的机械特性，与他励直流电机类似，改（gǎi）变电枢（shū）电（diàn）压（yā）的大小可（kě）以改变机械特性上的空载点。因此可（kě）以直接通过调节电枢电（diàn）压来控制电机的转（zhuǎn）速。此时采（cǎi）用二二导通的方（fāng）波驱动方式来控制BLDC电机（jī）能得（dé）到最（zuì）佳的控制效（xiào）果。
第一代（dài）无刷电调就（jiù）是以BLDC（Brushless Direct Current，无刷直流）电（diàn）机为载体（tǐ）的方（fāng）波驱动电调。
方波驱动的电调采用PWM调制（zhì）技术来控制电（diàn）机的（de）运行。该（gāi）控制（zhì）方法主要（yào）解决两个问题（tí），一个是（shì）绕组换向问题，一（yī）个是（shì）调（diào）压问（wèn）题。
通过反电动势过零点检测，可以得到绕组的换相（xiàng）逻（luó）辑。通过调节（jiē）PWM占空比（bǐ）可以得到可（kě）调（diào）电（diàn）压。将换相（xiàng）逻（luó）辑信（xìn）号和调压信号一起（qǐ）调制得到（dào）PWM控（kòng）制（zhì）信（xìn）号来实现（xiàn）BLDC电机的（de）控制（zhì）。
方波电调具有（yǒu）控（kòng）制简单，成（chéng）本低的特（tè）点，在多旋翼无（wú）人机（jī）领域（yù）得到了广泛的应用。
但是由方波（bō）电调驱动（dòng）的BLDC电（diàn）机（jī）输出转矩脉动（dòng）大（dà），动态（tài）响应速度有限，同时在高速运行时（shí）易出现（xiàn）堵转问题（tí），因此方波驱动电（diàn）调并不能满足高性能和重载（zǎi）无人机的需求。
在中小功率BLDC电机的实际应用中，往往通过合理设（shè）计磁极（jí）形状和允磁方向，采用斜槽、分数槽等措施，来消除齿槽转矩。这（zhè）些措（cuò）施使得电机（jī）的反电动势更（gèng）接近正弦，这类电（diàn）机采用三（sān）三（sān）导（dǎo）通的控制（zhì）方式，即通常所说的正弦波（bō）驱动方式，更有利于减小电（diàn）磁转矩脉动。
第二代无刷（shuā）电调就是（shì）以BLDC电机为载体的正（zhèng）弦波驱动电调。正弦波驱（qū）动（dòng）电调采用SPWM调制技术来实（shí）现BLDC电机的控制，采用该控（kòng）制方式提高了BLDC电机三相绕组的利用率，并（bìng）可以消除二（èr）二导通时的换相（xiàng）转矩脉动和堵转问题。
当然由于其气隙磁（cí）场并（bìng）非（fēi）标准的正弦波，所以（yǐ）其输出（chū）转矩仍然存在（zài）脉动。实验表（biǎo）明，低速下，正弦波驱（qū）动电调（diào）比方波驱动电（diàn）调转矩（jǔ）脉动更小（xiǎo）；高速（sù）下，二（èr）者转矩脉动相差（chà）不大，甚至正（zhèng）弦波（bō）驱动（dòng）转矩脉动更（gèng）大。在多旋（xuán）翼（yì）航（háng）拍无（wú）人（rén）机（jī）上应用表（biǎo）明，采用正弦波驱动电调，无人机（jī）更稳定。
显然以BLDC电机为载（zǎi）体的（de）正弦波（bō）驱（qū）动电调并没有从根本上解（jiě）决转矩脉动问题（tí）和动态响应问题，仍然难以满足重（chóng）载和高性能多旋翼（yì）无人（rén）机的动力（lì）需（xū）求。
随着无人机行（háng）业应用（yòng）的拓展，如植保无人机、物（wù）流无（wú）人机的出现，催生了第三代无刷电（diàn）调的产生。
第三代无刷电调是以PMS（ Permanent Magnet Synchronous，永磁同步）电机为载体的FOC（Field Oriented Control，磁（cí）场（chǎng）定（dìng）向控制）电调。
FOC电（diàn）调和PMS电机从（cóng）根本（běn）上解决了动（dòng）力系（xì）统（tǒng）的（de）输（shū）出转矩脉动、换（huàn）相堵转（zhuǎn）以及动态（tài）响应等问题，能够满足重载高性能无人机的动力（lì）需（xū）求。
PMS电机气隙磁（cí）场为正弦波，产生的反电（diàn）动势（shì）也（yě）为正弦波，当向PMS电机（jī）三（sān）相（xiàng）绕（rào）组通入三（sān）相对称电流时，三（sān）相（xiàng）绕（rào）组将产（chǎn）生（shēng）圆形的（de）旋（xuán）转磁场，带动转子永磁体同步旋转。
FOC电调（diào）采用SVPWM调制（zhì）技术，以产（chǎn）生圆形旋（xuán）转磁场为目的来控制PMS电机。通过矢量（liàng）控制，可以实现对电机的（de）转速、转（zhuǎn）矩（jǔ）的平滑控制。同时，SVPWM调制相比（bǐ）SPWM调制对直（zhí）流母线电（diàn）压的（de）利用率高15%左右。
目前，市场上所有（yǒu）的多（duō）旋翼无刷电调均为（wéi）以上三种，调制方式依次为PWM调制、SPWM调（diào）制（zhì）和SVPWM调制，其（qí）他衍生（shēng）出来的电调类（lèi）型均是在（zài）这三种调制方式下增加一些（xiē）其他（tā）技术而（ér）开（kāi）发出来的。
由于无人机（jī）这一相对苛刻的应用环（huán）境（jìng），电调和电机（jī）在技术上做了很多妥协，二者在（zài）技术上还有很多挖掘和优化的空间。
同时，为了增加无人机整（zhěng）机的控制（zhì）性能，可以探讨飞控与电（diàn）机控（kòng）制之间的联动控制可能性（xìng）。
目前多旋翼飞（fēi）行器使用的均为商用无刷电调（diào），其通过PWM信号进行控制导（dǎo）致速度控制频（pín）率刷新有限，主控（kòng）制器和电调之间增加了一个多余的PWM信号（hào）生（shēng）成和解码过（guò）程，因此可以开发基（jī）于串口的电调并由主控制（zhì）器直接对电机进行控制，减少不必要的中间环（huán）节（jiē）。
其（qí）次，在多（duō）旋翼飞（fēi）控系统中，电机速度控（kòng）制（zhì）环是最里面一环，商（shāng）用电调（diào）并不提供（gòng）电（diàn）机转（zhuǎn）速反馈，这对于飞控速度（dù）环来说，相当（dāng）于开环控制。如（rú）果电（diàn）调能（néng）够提供电机转速反馈，将反馈值融入到（dào）飞控中，构成电机转速闭环（huán）控制，无人机的整（zhěng）体（tǐ）响（xiǎng）应性能和稳定性能必（bì）能（néng）得到大幅（fú）提升。
总结（jié）来说，随着（zhe）无人机（jī）广泛应（yīng）用于工业（yè）场（chǎng）景或商业场景，无人机对（duì）于动力系（xì）统的动态响应性（xìng）能和可（kě）靠性要求也在不（bú）断提（tí）高。除了不断（duàn）优化（huà）电机和电调本身，寻求飞控（kòng）与电机联动控制也是一（yī）个值得探索的方向。
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