CN204871616U - 大功率高电压电驱动有线无人机动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，包括电机，其根据不同的功率配置有配套的螺旋桨，具体采用高电压无刷电机；与电机相匹配的电子调速器，用于驱动电机的运作；转换电源器，其连接交流电，通过电源转换方式为所述电子调速器供电；飞控系统，其与所述电子调速器通信连接，用于控制动力系统使无人机实现飞起、加速、减速、停机动作。本实用新型填补了目前大功率高电压电驱动有线无人机动力系统产品领域的空白，并可加快推动和促进整个无人机行业的发展。

Description

大功率高电压电驱动有线无人机动力系统

技术领域

本实用新型涉及无人机动力系统技术，具体为大功率高电压电驱动有线无人机动力系统。

背景技术

目前，电池驱动电动机的无人机动力系统存在以下缺陷：

1、以电池供电的无人机，在实际应用中电池的电量与载重量都是相互制约的，如想飞行时间长，然而电池电量就要大，而电量大，电池就会很重，一旦电池重了，载重就会少，这是目前飞行器最为矛盾的一面；

2、以目前的电池技术，不管电池电量有多足，电池在使用时马上就会有很大的电池压降，压降大将加重飞控系统的负担，从而发热影响飞控系统的稳定性，会使无人机很容易摔机；

3、以目前的电池技术，要使大负载（在于20KG以上）的飞行器能持续飞行30分钟以上可能有些困难。因此，关于飞行器更大的实用性——用作求援、抢险、架线等等受到很大的制约，难以达到理想的实际有效的应用；

4、以目前电池的技术，不管电量有多充足，最多30分钟就必须返航更换电池。然而在更换电池时需要浪费很长时间，更换装卸好电池后，再次启动电源需要对电子调速器和飞控系统等电子设备重新检测和校准，在此过程中极易出现校准错误而产生故障，增加了人为和电子检测的错误造成对飞行器损坏的风险；

5、电池自身就是不稳定的电储媒体，存在着爆炸（目前大部分电池无电池保护电路）和供电失效的机率，电池存在充电时间长、充电使用次数的限制，生产成本以及使用成本都非常高。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型提供了一种大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其填补了目前大功率高电压电驱动有线无人机动力系统产品领域的空白，并可加快推动和促进整个无人机行业的发展。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：

大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，包括

电机，其根据不同的功率配置有配套的螺旋桨，具体采用高电压无刷电机；

与电机相匹配的电子调速器，用于驱动电机的运作；

转换电源器，其连接交流电，通过电源转换方式为所述电子调速器供电；

飞控系统，其与所述电子调速器通信连接，用于控制动力系统使无人机实现飞起、加速、减速、停机动作。

作为上述技术方案的改进，所述电子调速器包括逆变器、MCU控制器及DC-DC开关电源降压模块，其中，所述DC-DC开关电源降压模块将输入的高压电压转换为5V后对MCU控制器供电，所述MCU控制器通过PWM调速信号控制逆变器工作，所述逆变器将直流电压转换为三相交流电压并输出至电机。

作为上述技术方案的改进，所述逆变器包括输入端、由若干开关构成的开关组及三相直流电压输出端，其通过控制开关组内不同开关组合的导通顺序，使其输出端对应不同的换相顺序来驱动无刷电机的转动。

作为上述技术方案的改进，所述开关组包括由开关Q1、Q2串联构成的Q1支路、由开关Q3、Q4串联构成的Q3支路及由Q5、Q6串联构成的Q5支路，所述Q1支路、Q3支路及Q5支路之间并联，其中，所述Q1支路与Q3支路对应连接三相直流电压的UV相，所述Q3支路与Q5支路对应连接三相直流电压的VW相，所述Q1支路与Q5支路对应连接三相直流电压的UW相。

作为上述技术方案的改进，所述开关组的不同开关组合的导通顺序依次为Q1Q4、Q1Q6、Q3Q6、Q3Q2、Q5Q2、Q5Q4，该导通顺序所对应的换相顺序依次为UV相、UW相、VW相、VU相、WU相、WV相。

作为上述技术方案的改进，所述飞控系统包括信号接收器及与信号接收器配套使用的遥控器，其中遥控器用于设定部分电子调速器参数及无人机的远程控制。

作为上述技术方案的改进，所述电子调速器通过加力信号线与飞控系统通信连接，所述加力信号线为4pin线，通过其连接有编程盒，用于所有电子调速器参数的设定。

作为上述技术方案的改进，所述加力信号线通过USB线连接至电脑，用于所有电子调速器参数的设定。

作为上述技术方案的改进，所述逆变器开关组内对应每一个开关均设置有电压传感器或电流传感器，当任一开关电压或电流超越警戒时，将减小动力系统输出功率使其怠速运行。

本实用新型带来的有益效果有：

本实用新型的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，主要针对电驱动的无人机飞行器，由于其使用交流电通过电源转换方式供电，所以不存在电量不足的问题，无需要大功率供电电池，因此生产成本大大降低，同时，由于该动力系统采用高电压低电流的供电设计，无需电池供电而使用细电线为飞行器供电，以此使飞行器的机身重量大大减轻，能持续不间断供电，十分有利于提高整个飞行控制系统的稳定性，填补了目前大功率高电压电驱动有线无人机动力系统产品领域的空白，可加快推动和促进整个无人机行业的发展。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明，

附图1是本实用新型的系统结构示意图；

附图2是本实用新型的电子调速器结构框图；

附图3是本实用新型的电子调速器内部结构示意图；

附图4是本实用新型的逆变器工作原理示意图。

具体实施方式

本实用新型的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，主要针对电驱动的无人机飞行器，其能更有效的应用在现实生活中使用的无人机上，更实际的应用在抗险救灾、消防高空救人、植保、悬停、野外科考、游乐项目、人员不可抵达的特殊环境领域使用的无人机上。该动力系统的创新推出将使这种特定范围内使用的无人机不再受电池的电量制约，使飞行器更长时间运转，带来更有效的作用。

具体的，参照附图1，该动力系统主要包括电机1，其根据不同的功率配置有配套的螺旋桨，具体采用高电压无刷电机；与电机1相匹配的电子调速器2，用于驱动电机1的运作；转换电源器3，其连接交流电，通过电源转换方式为所述电子调速器2供电；飞控系统，其与所述电子调速器2通信连接，用于控制动力系统使无人机实现飞起、加速、减速、停机动作。

其中，本发明的电机1采用高电压无刷电机。

虽然，无刷电机在实际应用中很广泛，因其体积小、重量轻且功率大，但大功率高电压无刷电机的使用却并不普遍。究其原因，在于大功率高电压无刷电机所要求的拉效高。然而，拉效高的电机1其电压电流都很大，使得电子调速器2很难支持。目前市面上出售的电子调速器2，大部分只支持25V、80A以下，也就是小型飞行器所用，而主要原因是大功率电调难散热，在大功率运行时高电压高电流，产生的电杂波严重影响加力信号，产生高温。

所以我们针对此问题，对无刷电机的内部结构进行优化，设计出高压无刷电机和电子调速器2，大大提高电机1的拉效比，使得电机1与电子调速器2可支持100-500V和0-40A的低电流高电压。而实际应用中，高电压无刷电机与高压电调的基电压通常应大于220V以上。

参照附图2及附图3，电子调速器2包括逆变器21、MCU控制器22及DC-DC开关电源降压模块23，其中，DC-DC开关电源降压模块23将输入的高压电压转换为5V后对MCU控制器22供电，MCU控制器22通过PWM调速信号控制逆变器21工作，逆变器21将直流电压转换为三相交流电压并输出至电机1。如在附图2中，电子调速器2输入PWM调速信号，其输出为U，V，W三相直流电压，HallU，HallV，HallW为高压无刷电机中的霍尔传感器，其可将无刷电机转子的位置信息反馈给电子调速器2。由于PWM调速信号一般为矩形方波，PWM调速信号的占空比越大，电机1的运转速度将越高；PWM调速信号占空比越小，电机1的运转速度也相应越低。

需要说明的是，由于电子调速器2输入的直流电压非常高(100V-500V)，因此需要通过DC-DC开关电源降压模块23将其转换为5V后，才能对MCU控制器22供电。为保留一定的安全余量，DC-DC开关电源降压模块23的最大输入电压应为450V。

进一步，参照附图4，所述的逆变器21包括输入端、由若干开关构成的开关组及三相直流电压输出端，其通过控制开关组内不同开关组合的导通顺序，使其输出端对应不同的换相顺序来驱动无刷电机的转动。

具体的，开关组包括由开关Q1、Q2串联构成的Q1支路、由开关Q3、Q4串联构成的Q3支路及由Q5、Q6串联构成的Q5支路，所述的Q1支路、Q3支路及Q5支路之间并联，其中，Q1支路与Q3支路对应连接三相直流电压的UV相，Q3支路与Q5支路对应连接三相直流电压的VW相，Q1支路与Q5支路则对应连接三相直流电压的UW相。

基于此，当开关Q1，Q4导通时，三相直流电压的UV相导通，电流从U相经过电机1绕组，然后从V相返回；当开关Q1，Q6导通时，三相直流电压的UW相导通，电流从U相流经电机1绕组，从V相返回；其它开关组合和上面描述情况类似。而为了使电机1顺时针转动，开关组的导通顺序应依次为Q1Q4、Q1Q6、Q3Q6、Q3Q2、Q5Q2、Q5Q4，我们将开关切换的时机称为换相，上述导通顺序所对应的换相顺序依次为UV相、UW相、VW相、VU相、WU相、WV相。

同时，逆变器21电路的开关组内对应每一个开关均设置有电压传感器或电流传感器，当任一开关电压或电流超越警戒时，将减小动力系统输出功率使其怠速运行。

对于电调散热的处理，本实用新型主要有以下处理措施。一是采用大面积的铝板散热，虽然增大产品体积和重量，但是系统变得更为稳定可靠；二是精心选取电子调速器2在系统中安放的位置，直接将其安放在无人机桨叶的风速最大处，通过快速的空气流通加速散热；三是在开关组MOS管附件增加稳定传感器，如上文所述，当开关MOS管的稳定超越警戒时，减小系统的输出功率，使其怠速运行，不至于将整个系统烧毁。

此外，飞控系统包括信号接收器41及与信号接收器41配套使用的遥控器，用于设定部分电子调速器2参数及无人机的远程控制，信号接收器41与电调的加力信号线24连接，通过遥控器即可以控制整套动力系统达到飞起，加速，减速，停机等动作。电子调速器2的加力信号线24为4pin线，通过其可连接有编程盒，用于所有电子调速器2参数的设定，或者可使电子调速器2加力信号线24通过USB线连接至电脑，用于所有电子调速器2参数的设定。

其他，在本实用新型的某一实施例中，我们可使用电线给飞行器进行供电。当我们在转换电源器3与多轴无人机之间设置自动收放线机时，可通过其灵活调整线路的距离，达到在特定范围和特定距离内持续不间断进行供电使飞行器持续飞行的目的。甚至可以借鉴电车供电的滑拉电轨在更远的有效范围内来做相关的飞行动作。

总之，本实用新型的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，主要针对电驱动的无人机飞行器，由于其使用交流电通过电源转换方式供电，所以不存在电量不足的问题，无需要大功率供电电池，因此生产成本大大降低。

同时，由于该动力系统采用高电压低电流的供电设计，无需电池供电而使用细电线为飞行器供电，以此使飞行器的机身重量大大减轻，能持续不间断供电，十分有利于提高整个飞行控制系统的稳定性，填补了目前大功率高电压电驱动有线无人机动力系统产品领域的空白，可加快推动和促进整个无人机行业的发展。

最后需要说明的是，以上所述只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：包括

电机（1），其根据不同的功率配置有配套的螺旋桨，具体采用高电压无刷电机；

与电机（1）相匹配的电子调速器（2），用于驱动电机（1）的运作；

转换电源器（3），其连接交流电，通过电源转换方式为所述电子调速器（2）供电；

飞控系统，其与所述电子调速器（2）通信连接，用于控制动力系统使无人机实现飞起、加速、减速、停机动作。

2.根据权利要求1所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述电子调速器（2）包括逆变器（21）、MCU控制器（22）及DC-DC开关电源降压模块（23），其中，所述DC-DC开关电源降压模块（23）将输入的高压电压转换为5V后对MCU控制器（22）供电，所述MCU控制器（22）通过PWM调速信号控制逆变器（21）工作，所述逆变器（21）将直流电压转换为三相交流电压并输出至电机（1）。

3.根据权利要求2所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述逆变器（21）包括输入端、由若干开关构成的开关组及三相直流电压输出端，其通过控制开关组内不同开关组合的导通顺序，使其输出端对应不同的换相顺序来驱动无刷电机的转动。

4.根据权利要求3所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述开关组包括由开关Q1、Q2串联构成的Q1支路、由开关Q3、Q4串联构成的Q3支路及由Q5、Q6串联构成的Q5支路，所述Q1支路、Q3支路及Q5支路之间并联，其中，所述Q1支路与Q3支路对应连接三相直流电压的UV相，所述Q3支路与Q5支路对应连接三相直流电压的VW相，所述Q1支路与Q5支路对应连接三相直流电压的UW相。

5.根据权利要求4所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述开关组的不同开关组合的导通顺序依次为Q1Q4、Q1Q6、Q3Q6、Q3Q2、Q5Q2、Q5Q4，该导通顺序所对应的换相顺序依次为UV相、UW相、VW相、VU相、WU相、WV相。

6.根据权利要求1所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述飞控系统包括信号接收器（41）及与信号接收器（41）配套使用的遥控器，其中遥控器用于设定部分电子调速器（2）参数及无人机的远程控制。

7.根据权利要求1所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述电子调速器（2）通过加力信号线（24）与飞控系统通信连接，所述加力信号线（24）为4pin线，通过其连接有编程盒，用于所有电子调速器（2）参数的设定。

8.根据权利要求7所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述加力信号线（24）通过USB线连接至电脑，用于所有电子调速器（2）参数的设定。

9.根据权利要求4所述的大功率高电压电驱动有线无人机动力系统，其特征在于：所述逆变器（21）开关组内对应每一个开关均设置有电压传感器或电流传感器，当任一开关电压或电流超越警戒时，将减小动力系统输出功率使其怠速运行。