摘要
电驱动大载重无人机凭借维护简易、震动幅度小、高原性能优异等诸多优点，得到了快速发展。为提升电驱动大载重无人机续航能力和载重性能，大载重无人机的电驱动系统向着高功率密度化不断改进，由此带来的系统发热问题愈发严重。因此，解决电机驱动系统中的功率密度和热传递问题将对大载重无人机性能提升和行业发展产生积极影响。本文以共轴双旋翼电驱动大载重无人机的电机驱动系统控制效果和热损耗抑制为研究目标，通过分析电机驱动系统的热损耗产生途径、优化控制方式减少系统热损耗、抑制电机驱动系统的共模电压以及基于散热器外壳的散热优化来提高功率密度。本文做了如下研究。 （1）建立功率器件的功率损耗模型，对电驱动系统进行热分析，基于功率损耗模型对电驱动PCB板建立热模型并进行热仿真和热分析，搭建无人机拉力测试台对仿真结果进行实验验证，得到可靠的电驱动热模型，为后续研究奠定基础。 （2）针对大载重无人机对功率损耗优化以满足减少热损耗的问题，采用模型预测电流控制，设计一种多目标协同优化的代价函数，实现在提升控制性能的前提下减少功率损耗。先分析电驱动系统中电流跟踪项和开关频率优化项权重对整体系统控制性能和开关频率的影响特点。提出一种基于粒子群优化代价函数的低损耗模型预测控制，利用粒子群优化算法平衡各权重系数间的关系，得到综合性能更好的代价函数，解决传统代价函数权重系数分配不合理的问题，在提升系统控制性能的同时，减少了开关频率，减少了热损耗。 （3）针对电驱动系统产生的共模电压会以热量的形式在系统中散发，降低系统整体效率的问题，通过使用多矢量模型预测电流控制代替传统调制方式，减少电流脉动的同时抑制共模电压。根据零电压矢量和共模电压间的正相关关系，逐一分析多矢量模型预测电流控制存在精度低或者共模电压大的弊端，提出一种四矢量合成模型预测电流控制以降低零电压矢量的使用，达到在不损失控制精度的前提下降低共模电压的目的，加强了系统内部的热稳定性，减少了系统内部热损耗。 （4）针对传统电机驱动散热器散热性能不佳的问题，通过建立散热器等效热阻模型，采用粒子群优化算法对模型进行优化。建立散热器总传导热阻模型，以降低散热器热阻为目的，优化得到新的参数，并对优化后的散热器进行热仿真和热分析，结果表明优化散热器结构参数能够有效降低热阻，增强电驱动系统散热能力。搭建大载重无人机实验平台，用示波器取得直交轴电流波形、共模电压波形和开关频率波形，用红外热成像仪取得大载重无人机电驱动系统温度，验证理论可行性。 结合上述方式，从减少热损耗的产生和增强散热能力两方面对大载重无人机电驱动系统进行了优化，提升了大载重无人机电驱动系统功率密度。
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