第三节 多旋翼无人机用电动机
电动机是多旋翼无人机的主要动力源，同时与无人机的飞行姿态密切相关。多旋翼无人机一般采用直流电动机，如图2-5所示。电动机转速快慢决定了无人机可以承载的重量，同时，其转速改变的快慢也影响无人机姿态的变换。
图2-5 无人机用电动机
一、直流电动机的分类
直流电动机有多种分类方法，可以根据换相方式、换相方法和转子类型等分类。
1.根据换相方式分类
根据直流电动机换相方式的不同，将直流电动机分为有刷直流电动机和无刷直流电动机。
（1）有刷直流电动机 传统的直流电动机采用机械结构进行换相，这种直流电动机称为有刷直流电动机。有刷直流电动机存在机械摩擦、换向火花、电磁噪声、制造成本高、维修困难等缺点，很大程度上限制了直流电动机的应用和发展范围。
（2）无刷直流电动机 无刷直流电动机采用电子换相，弥补了有刷直流电动机的缺点，目前无人机主要采用无刷直流电动机。
2.根据换相方法分类
根据无刷直流电动机换相方法，无刷直流电动机可以分为有感无刷直流电动机和无感无刷直流电动机。
（1）有感无刷直流电动机 有感是指利用霍尔效应来测量转子位置的方法。置于磁场中的载流导体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上产生一个附加的电场，这种效应称为霍尔效应。霍尔测量器件以霍尔效应为工作基础，可以检测磁场及其变化情况。由于电动机旋转时转子不同位置下磁场的分布情况不同，因此可以利用霍尔测量器件检测转子位置。
（2）无感无刷直流电动机 无感无刷直流电动机是指电动机不需要专门的传感器，而通过控制部分特殊的电子电路设计来完成检测电动机转子位置及确定换相时间，目前技术最成熟的检测方法是反电动势过零检测法。
有感无刷直流电动机在多旋翼无人机上应用会受到一定的限制，主要原因在于：位置传感器使得电动机系统体积增大；电动机与控制系统间的连接导线增多，使得系统容易受外界干扰影响；受温度、湿度影响大，在高温、高压等工况下灵敏度差，可靠性降低；安装精度要求较高，机械安装偏差会引起换相不准确。因此，多旋翼无人机使用的电动机多为无感无刷直流电动机。
3.根据转子类型分类
直流电动机根据转子类型可分为内转子直流电动机和外转子直流电动机。
（1）内转子直流电动机 内转子直流电动机是指转动部分在定子线圈内部，即转动部分是转子线圈，固定部分是磁极，转动惯量集中在内部转子上，转速较高，如图2-6所示。
图2-6 内转子直流电动机
（2）外转子直流电动机 外转子直流电动机是指转动部分在定子线圈外部，即转动部分是磁极，固定部分是线圈，转动惯量集中在外壳上，而且外转子直流电动机的转动惯量比内转子直流电动机的转动惯量要大很多，因此其转速也相对较低，代表最大转速的参数KV值一般也只在几百到几千之间，如图2-7所示。外转子直流电动机具有绕线匝数多、能量密度高、输出转速低、转矩大等特点。外转子直流电动机用在多旋翼无人机上时，可以直接驱动螺旋桨，而不会像内转子电动机那样需要机械减速单元，省去了齿轮减速部分，有效地避免了复杂的机械结构，提高了安全性和可靠性。因此，多旋翼无人机使用的电动机属于无感无刷外转子直流电动机。
图2-7 外转子直流电动机
二、直流无刷电动机的特点
多旋翼无人机用直流无刷电动机具有以下特点。
①具有传统直流电动机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构。
②转矩特性优异，启动转矩大，启动电流小。
③可以进行无级调速，调速范围宽，过载能力强。
④体积小，重量轻，输出转矩大。
⑤制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置。
⑥电动机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速损耗，效率高，可靠性高，稳定性好，适应性强，保养和维修方便。
⑦耐振动，噪声低，运转平滑，寿命长。
三、直流无刷电动机的工作原理
直流无刷电动机由电动机本体、控制单元、驱动单元和检测单元组成，其工作原理如图2-8所示。
图2-8 直流无刷电动机的工作原理
直流无刷电动机运行过程主要包括启动、换相、调速等，其中换相过程是直流电源通过控制电路向电动机定子绕组供电，电子电路或位置传感器随时检测转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制功率开关管的导通和截止，自动地控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，从而实现电子换相过程。另外，电动机的调速也是由控制电路功率开关管的导通时间决定的。
1.直流无刷电动机导通方式
对于三相星形连接的直流无刷电动机，一般采用三相桥电路对其进行控制，三相桥电路与三相星形连接的直流无刷电动机连接图如图2-9所示。根据三相桥电路导通方式的不同，可以分为120°两两导通和180°三三导通两种方式。
图2-9 三相桥电路与三相星形连接的直流无刷电动机连接图
（1）两两导通方式 两两导通方式是指任意时刻，三相桥电路均有两个功率开关管导通，每隔60°电角度换相一次，每次换相时改变一个功率开关管的导通状态，每个功率开关管导通120°电角度，按照Q1Q2、Q3Q2、Q3Q4、Q5Q4、Q5Q6、Q1Q6的顺序导通。
（2）三三导通方式 三三导通方式是指任意时刻，三相桥电路均有三个功率开关管导通，每隔60°电角度换相一次，每次换相时改变一个功率开关管的导通状态，每个功率开关管导通180°电角度，按照Q1Q2Q3、Q2Q3Q4、Q3Q4Q5、Q4Q5Q6、Q5Q6Q1、Q6Q1Q2的顺序导通。
三三导通方式较两两导通方式在任意时刻增加了对一个功率开关管的控制，增大了控制难度，同时降低了控制的安全性和可靠性；另外，两两导通方式很好地利用方波气隙磁场的平顶部分，使得电动机的输出转矩大，电磁转矩比三三导通方式更大，且转矩平稳性好。
2.直流无刷电动机换相原理
直流无刷电动机的运行需要通过转子位置信息获取换相的最佳时间，通常在电流和反相电动势同相达到最佳控制和最大转矩，以这种方式换相，换相时间由转子位置决定。因为反电动势的形状可以显示出转子的位置，所以根据电动势就可以决定换相时刻。目前普遍使用的获取转子位置信息的方式有两种：一种是利用转子位置传感器直接检测转子位置信号，然后向功率驱动电路提供合适的换相信号；另一种是通过间接的方法获取转子位置信号，称为无位置传感器控制。
无位置传感器驱动在硬件设计上省略了位置传感器的安装，这样可使整套系统更为轻便，结构更简单。电动机启动时的性能较差，但是达到一定转速后就容易控制，而且电动机的换相过程只与转子的位置信息有关，与转子的速度无关。因此，换相问题的核心和关键就是设计一个转子位置信号检测电路，从硬件和软件两个方面来获得可靠的转子位置信号，然后导通相应的功率驱动开关，从而驱动电动机旋转。在多旋翼无人机中，为了电路的简单及减少无人机的重量，一般采用无位置传感器控制。有很多可靠的位置信号检测方法，如反电动势法、感应电动势三次谐波法、续流二极管法等，其中反电动势法是目前最成熟和应用最广泛的一种位置检测方法。
直流无刷电动机运行时，三相定子绕组里通有电流，在内部会产生一个磁场，三个合成磁场驱使转子旋转，转子在磁场中切割磁力线，根据电磁感应定律，导体切割磁力线就会在导体中产生感应电动势，这个电动势就称为反电动势。在直流无刷电动机工作过程中，各相绕组轮流交替导通，绕组表现为断续通电。在绕组不通电时，由于绕组线圈的蓄能释放，会产生感应电动势，该感应电动势波形在该绕组的端点可以被检测出来。利用感应电动势的这些特点，可以取代转子上的位置传感器功能，得到需要换相的信息。这种技术有两个优点：第一，从理论上讲，星形连接方式和三角形连接方式的电动机都可以使用这种技术，使用范围比较广；第二，使用这一技术不需要清楚地了解电动机的特性，既可以通过电流控制，也可以通过电压控制。反电动势检测主要有三种方法，即过零点法、反电动势积分法、锁相环法，其中过零点法最为成熟。
反电动势检测原理如图2-10所示。在图2-10（a）中，A、B相开始导通，转子逆时针旋转，此时C相虽然没有通电，但是C和C'导线分别切割N极和S极磁力线，根据右手法则，会在C相上产生感应电动势。因为转子不同位置的磁感应强度是不同的，所以C相上产生的感应电动势的大小也在随着转子的转动而变化。当转子旋转60°到达图2-10（b）位置时，A、C相即将导通，而此时在C相上产生的感应电动势也由A、B相刚导通时的正值转为A、C即将导通时的负值。在整个A、B相导通的过程中，C相上的感应电动势发生了由正到负的变化。其中过零点发生在A、B相导通后电动机旋转30°的时刻，即当检测到C相上的感应电动势为零的时候，再过30°即为换相到A、C相导通的时刻。
图2-10 反电动势检测原理
在电动机旋转的时候，不仅在C相上产生感应电动势，在A、B两相上同样会产生与电源12V方向相反的反电动势，否则12V电源加在自身电阻很小的线圈上时，会产生很大的电流而烧毁电动机。由于在转子旋转的过程中，A、B两相的线圈切割磁力线区域的磁感应强度是恒定的，故它们产生的感应电动势也是恒定的；而C相由于其线圈切割磁力线区域的磁感应强度是由正到负变化的，所以产生的感应电动势也是由正到负变化的。
3.直流无刷电动机调速原理
直流无刷电动机的运转速度和电动机所加直流电源电压值的大小有关，但实际应用过程中，并不是通过调节直流电源电压来进行调速的。一般情况下，会采用调节图2-9中三相全桥驱动电路中上桥臂或者下桥臂功率开关管导通信号的占空比，以改变直流电源加在电动机上的直流电压，进而实现对速度的控制。
多旋翼无人机采用的是无线控制方式，所以对电动机的调速也需要采用无线通信的方式来调节功率开关管导通信号的占空比。通常情况下，有三种通信方式，即PPM信号、TWI总线和串口信号。PPM信号是遥控模型中比较通用的信号格式，在多旋翼无人机电动机控制板中需要安装PPM信号的接收装置，通过它检测收到信号的占空比来获取指令。当改变发出PPM信号的占空比时，电动机的转速也就随之改变。发出的PPM信号的频率也是很关键的因素，因为真正起到调节电动机速度的是信号的脉宽，也就是导通时间。
四、直流无刷电动机的指标参数
多旋翼无人机用直流无刷电动机主要指标参数有电动机型号、KV值、效率和磁极数等。
1.电动机型号
每个电动机厂家都有自己的编号规则。不管什么牌子的电动机，电动机型号中都有4位数字，其中前面2位是电动机转子的直径，后面2位是电动机转子的高度。
例如，型号为2212的电动机，表示电动机转子直径是22mm，电动机转子高度是12mm；型号为2018的电动机，表示电动机转子直径是20mm，电动机转子高度是18mm。注意，这里指的不是外壳尺寸。简单来说，前面2位数字越大，电动机直径越大；后面2位数字越大，电动机高度越高。又高又大的电动机，功率就更大，适合做载荷大的多旋翼无人机动力。
2.KV值
无刷直流电动机KV值定义为转速除以电压，意思为输入电压增加1V，无刷直流电动机空转转速增加的转速值。无刷电动机一旦做好，其KV值是固定的，不能改变。
例如，1000kV的电动机，外加1V电压，电动机空转转速为1000r/min；外加2V电压，电动机空转转速为2000r/min。单从KV值，不能评价电动机的好坏，不同KV值，配不同尺寸的螺旋桨。绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但转矩大，配大尺寸的螺旋桨；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但转矩小，配小尺寸的螺旋桨。
3.效率
效率的标注单位是g/W。电动机的功率和推力并不是成正比的，也就是说50W的时候为450g推力，100W的时候就不是900g推力了，可能只有700g推力。具体效率要看电动机的效率表。无人机正常飞行时，效率保持在合理的范围内，能够很好地保证续航能力。
4.磁极数
磁极数就是磁极数量。磁极数量越多，转速越低，转矩越大；磁极数量越少，转速越高，转矩越小。
例如，在同等电压、同等功率情况下，2极电动机比4极电动机的转速快1倍，但是转矩方面，4极电动机却比2极电动机大1倍。所以磁极数多、KV值低的电动机适合用大螺旋桨，KV值越高，螺旋桨越小。
五、电动机的选择
多旋翼无人机常用的电动机品牌有朗宇、新西达、亚拓、蝎子、浩马特、花牌、银燕等，各品牌电动机型号和参数是有差异的，在选择时要综合考虑。表2-1是某企业生产的无人机电动机型号与参数。
表2-1 某企业生产的无人机电动机型号与参数
选择电动机时应考虑以下因素。
①考虑品牌因素，不同品牌的电动机，性能是有差异的。在选电动机之前，应比较各品牌电动机的性能参数和性价比，选择最合适的电动机。不要选择没有参数表的电动机。
②考虑无人机的运动和抗风，电动机的最大总推力应是起飞重量的1.5倍以上。