無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)研究

田漢+曹著明

摘 要：無人機(jī)系統(tǒng)中的動(dòng)力裝置是無人機(jī)的主要關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接影響到無人機(jī)的性能、成本和可靠性。現(xiàn)在主要用于軍用和民用，具有較好的發(fā)展趨勢(shì)。就目前來看，無人機(jī)的動(dòng)力還是有3種不同的設(shè)備來提供。無刷電機(jī)因其具有高效率（通常大于80%）、低能耗、低噪音等優(yōu)勢(shì)，是本文的主要研究對(duì)象。通過對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行深入的研究和了解。知道了無刷直流電機(jī)采用的電刷裝置不是一般傳統(tǒng)的裝置，且換向器也不一樣，轉(zhuǎn)子的材料也有了改變，可以說從性能上看是現(xiàn)在最理想的調(diào)速電機(jī)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；動(dòng)力系統(tǒng)；無刷電機(jī)；研究

1 無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于無人機(jī)來說是至關(guān)重要的。無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要部件是電機(jī)（負(fù)責(zé)帶動(dòng)螺旋槳），電調(diào)（負(fù)責(zé)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速電池），電池（負(fù)責(zé)給動(dòng)力系統(tǒng)）及螺旋槳（將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力或升力的裝置）。電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，無刷電機(jī)在我們國家因其日益成熟的技術(shù)、廣泛的應(yīng)用和產(chǎn)量、價(jià)格的原因，在短時(shí)間內(nèi)，得到了快速的發(fā)展。又因?yàn)樗纳a(chǎn)成本比較低、技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從電動(dòng)遙控車到電動(dòng)遙控船再到電動(dòng)模型飛機(jī)，目前它正進(jìn)入模型領(lǐng)域的各個(gè)層面，，無處不在。之所以說動(dòng)力系統(tǒng)是至關(guān)重要的，是因?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)各個(gè)部分之間是否匹配、動(dòng)力系統(tǒng)與整機(jī)是否匹配，直接影響到整機(jī)效率、穩(wěn)定性。

無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)原理，如圖1所示。

無人機(jī)的電機(jī)主要以無刷電機(jī)為主，一頭用于固定在飛機(jī)架的電機(jī)座上，一頭用于固定螺旋槳，通過螺旋槳的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向下的推力。不同規(guī)格、功率的電機(jī)配合不同大小、負(fù)載的機(jī)架，效率對(duì)于電機(jī)來說才是最主要的，而不是說越大越好。單獨(dú)的電機(jī)是不能工作的，需要電調(diào)的配合，它可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。和電機(jī)一樣，不同規(guī)格的電調(diào)配合著不同負(fù)載的動(dòng)力系統(tǒng)，雖然電調(diào)用大了沒太大影響，但是效率就會(huì)下降，因?yàn)殡娬{(diào)大了，質(zhì)量也就重了；是，同樣以高效率為第一目直接產(chǎn)生推力的部件------螺旋槳。相互匹配的電機(jī)、電調(diào)和螺旋槳在一起搭配時(shí)，可以在相同的推力下耗用更少的電量，這樣就可以提高無人機(jī)的續(xù)航能力。鋰聚合物電池是現(xiàn)在無人機(jī)主要使用的電池，它具有能量密度大、重量輕、耐電流數(shù)值較高等優(yōu)勢(shì)，而這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于無人機(jī)來說都是較為適合的。雖然手機(jī)領(lǐng)域也有部分使用鋰聚合物電池，但就充、放電能力而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及無人機(jī)的這些電池。由于這些電池被使用在無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，所以也會(huì)被叫做“動(dòng)力電池”。無刷電機(jī)的主要優(yōu)缺點(diǎn)為勢(shì)如下：

電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

無刷電機(jī)從字面上可以看出它沒有電刷，所以在電機(jī)運(yùn)行時(shí)就避免了產(chǎn)生火花的問題，從而就消除了火花對(duì)遙控設(shè)備的干擾。然后正是因?yàn)闆]有了電刷的干擾，電機(jī)在工作時(shí)就大大減少了摩擦，工作時(shí)就會(huì)特別順利，減少了許多噪音，對(duì)于無人機(jī)來說是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。再從工作時(shí)間上看，無刷電機(jī)的工作時(shí)間比有刷電機(jī)的工作時(shí)間提高很多，也就是說它的壽命比較長(zhǎng)，通常是有刷電機(jī)的10倍以上。再從維護(hù)方面看無刷電機(jī)因?yàn)闆]有了電刷，所以它就省去了很多維修方面的時(shí)間與精力。相對(duì)與有刷電機(jī)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的維護(hù)也算是一個(gè)大的優(yōu)勢(shì)了。在一般控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上通常使用的是無刷電機(jī)，比如那些精密的儀器，它對(duì)于電機(jī)的使用壽命和精度都有較大的要求，而無刷電機(jī)不需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力的維護(hù)和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)就很符合這樣的要求。所以說無刷電機(jī)相比較有刷電機(jī)有著很大的優(yōu)勢(shì)。

2 無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

無刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與有刷電機(jī)相似，都有定子和轉(zhuǎn)子，但與有刷電機(jī)不同的是，結(jié)構(gòu)與有刷電機(jī)相反；有刷電機(jī)的定子是永磁磁鋼，轉(zhuǎn)子是線圈繞組，并與動(dòng)力輸出軸相連，而無刷電機(jī)則兩者互換，且連同外殼一起和輸出軸相連，最本質(zhì)的是去掉了作用于有刷電機(jī)交替變換電磁場(chǎng)的換向電刷，因此稱之為無刷電機(jī)。電機(jī)工作原理圖，如下圖所示：

簡(jiǎn)言之，無刷電機(jī)的是依靠變換輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形的運(yùn)行原理，在繞組線圈的周圍形成一個(gè)以繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在這個(gè)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。定子是由硅鋼片組成的，每一個(gè)沖槽里面都是由一定的線圈組成，轉(zhuǎn)子是永磁鋼。當(dāng)我們給無刷電機(jī)里面的定子通上電時(shí)，霍爾傳感器就會(huì)感應(yīng)到定子的位置，然后每一次換向時(shí)，有三組不同的繞組，第一組正向通電，那么第二組就是反向的，第三組就不通電，這樣就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。無刷直流電動(dòng)機(jī)用來實(shí)現(xiàn)電子換向的是半導(dǎo)體開關(guān)器件，即將傳統(tǒng)的接觸式換向器和電刷用電子開關(guān)器件代，就要使用替。因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以它才會(huì)被廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備，這是它的可靠性、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)勢(shì)，無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、位置傳感器、多極繞組定子等組成。位置傳感器按照轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定順序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流。而位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供定子繞組的工作電壓。位置傳感器有光電式、磁敏式、和電磁式三種類型。

3 無刷電機(jī)調(diào)試

無刷電機(jī)調(diào)速通過PWM實(shí)現(xiàn)，采用UC3637雙PWM輸出調(diào)制芯片作為實(shí)現(xiàn)的手段，UC3637是一種設(shè)計(jì)用于需要雙向驅(qū)動(dòng)電路的PWM型電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM單向電路，作為常規(guī)驅(qū)動(dòng)控制芯片的替換，這種電路能增加效率并減少元器件成本。速度誤差調(diào)制信號(hào)送入該集成電路后，形成兩路互補(bǔ)型雙向脈寬輸出，這兩路輸出信號(hào)與誤差調(diào)制信號(hào)的幅值成正比，且與極性相關(guān)，因此可構(gòu)成雙向的調(diào)速系統(tǒng)，如圖5所示。

無刷電機(jī)的輸入電壓與電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，所以KV值的意思是當(dāng)輸入電壓每增加1V時(shí)，電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)增加的轉(zhuǎn)速值。而且還開闊性的表示了電機(jī)的一個(gè)性能。無刷電機(jī)KV的意義，肯定會(huì)讓你知道更多，無刷電機(jī)KV值有低有高，大約在1-6千，對(duì)于無刷電機(jī)這個(gè)值來說，它是個(gè)常量。對(duì)于相同規(guī)格的無刷電機(jī)來說：繞線的匝數(shù)多的，KV值反而低，最高輸出的電流小，但扭力大；反之，則相反。不可以單從電機(jī)的KV值來評(píng)價(jià)電機(jī)的好與壞，因?yàn)椴煌膱?chǎng)可能只合適用與其相對(duì)應(yīng)KV值的電機(jī)：低電壓環(huán)境（7.4V）和高電壓環(huán)境（11.1V）兩個(gè)環(huán)境KV值高低不同時(shí)，所用的螺旋槳是不一樣的。若轉(zhuǎn)速低的就應(yīng)該使用較大的螺旋槳，因?yàn)樗枰嵘娏鳎瑏磔敵鲚^大的電流。同理，當(dāng)轉(zhuǎn)速高時(shí)較小的螺旋槳，這樣做是為了避免電流過大。所以選用什么規(guī)格的無刷電機(jī)，有環(huán)境等許多因素限制，要根據(jù)合適的場(chǎng)合來使用.

5 小結(jié)

直流無刷電動(dòng)機(jī)在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用，本文通過對(duì)無刷電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)、工作原理、優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，明白了關(guān)于無刷電機(jī)的方方面面，對(duì)于如何選用何種規(guī)格的電機(jī)也有了一定的了解。需要注意的是，雖然無刷電機(jī)不需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力的維護(hù)，但還是要定期維護(hù)而且需要根據(jù)環(huán)境來選用合適的電機(jī)。現(xiàn)在無刷電機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域了，在以后相信無刷電機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，所以多多了解關(guān)于無刷電機(jī)對(duì)我們是受益匪淺的。

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