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一种用于无人机电机驱动与云台系统的系统化三阶段安全增强方法
A Systematic Three-Stage Safety Enhancement Approach for Motor Drive and Gimbal Systems in Unmanned Aerial Vehicles
| 作者 | Huamin Jie · Zhenyu Zhao · Hong Li · Theng Huat Gan · Kye Yak See |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 电磁兼容性 电磁敏感性 无人机 安全增强方法 电磁加固 |
语言:
中文摘要
电磁兼容性(EMC)对于确保与电力电子相关资产(如无人机(UAV))的可靠性和安全性至关重要。电磁兼容性包括两个关键方面:电磁干扰(EMI)和电磁敏感性(EMS)。虽然电磁干扰已得到广泛研究,但由于有意或无意的电磁(EM)噪声威胁不断增加,电力电子系统中的电磁敏感性,尤其是涉及敏感控制和传感模块的系统,正受到越来越多的关注。因此,提高这些系统的电磁安全性至关重要。本文针对无人机中与电力电子相关的系统提出了一种系统的三阶段安全增强方法。在第一阶段,引入了一种基于电磁敏感性测试结果的定量风险评估策略,确定无人机的电机驱动和云台系统是最易受影响的部件。第二阶段分析了它们的故障机制,为进一步加固提供了有价值的见解。第三阶段制定了全面的轻量化策略以提高无人机的安全性。以大疆无人机为例进行研究,所提出的方法展示了所提出的电磁加固解决方案在 2 MHz 至 18 GHz 频率范围内,能够抵御电场强度高达 200 V/m 的外部电磁噪声。总重量仅增加 1.2%,体积增加可忽略不计。
English Abstract
Electromagnetic compatibility (EMC) is critical for ensuring the reliability and safety of power electronics-related assets, such as unmanned aerial vehicles (UAVs). EMC encompasses two key aspects: electromagnetic interference (EMI) and electromagnetic susceptibility (EMS). While EMI has been widely studied, EMS in power electronics systems, particularly with sensitive control and sensing modules, is gaining increasing attention due to rising threats from intentional or unintentional electromagnetic (EM) noises. Therefore, enhancing the EM safety of these systems is essential. This article proposes a systematic three-stage safety enhancement approach for power electronics-related systems in UAVs. In stage 1, a quantitative risk assessment strategy based on the EMS test results is introduced, identifying the motor drive and gimbal systems of the UAVs as the most vulnerable components. Stage 2 analyzes their failure mechanisms, offering valuable insights for further hardening. Stage 3 develops a comprehensive lightweight strategy to enhance the UAV safety. Using a DJI UAV as a case study, the proposed approach demonstrates the capability of the proposed EM hardening solutions against external EM noises with the electric field strength up to 200 V/m from 2 MHz to 18 GHz. The total weight increases by only 1.2% with a negligible addition to volume.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对无人机系统的电磁兼容性增强技术具有重要的借鉴价值。论文提出的三阶段系统性安全增强方法,特别是在电磁敏感性(EMS)防护方面的研究,与我司光伏逆变器、储能变流器等核心产品面临的技术挑战高度契合。
在实际应用场景中,我司的逆变器和储能系统同样工作在复杂的电磁环境中,尤其是大型地面电站和工商业储能项目,设备密集部署导致的电磁干扰问题日益突出。论文中针对电机驱动系统的失效机制分析方法,可直接应用于我司产品中的功率模块、控制电路和传感器模块的抗干扰设计优化。其量化风险评估策略能够帮助我们识别产品中最脆弱的环节,实现针对性加固。
特别值得关注的是论文提出的轻量化防护方案,在2MHz至18GHz频段实现200V/m电场强度防护的同时,仅增加1.2%的重量和可忽略的体积。这一技术路线对我司产品的小型化、轻量化设计具有直接指导意义,尤其在户用储能和分布式光伏系统中,空间和重量限制是关键约束条件。
从技术成熟度来看,该方法已在商用无人机上验证,具备较高的工程化可行性。但应用于电力电子系统仍需考虑更高功率等级下的电磁环境复杂性,以及长期运行的可靠性验证。建议我司研发团队重点研究其风险评估模型在逆变器产品上的适配性,以及轻量化电磁屏蔽材料在高温、高湿等严苛环境下的性能表现,将该方法论融入我司的产品安全设计体系中。