一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统

1.本发明公开涉及新能源航空电动力系统技术领域，尤其涉及一种适用于载人电动直 升机的电机冗余控制系统。


背景技术：

2.载人电动直升机为了保证其巡航过程中的安全性及可靠性，一旦载人电动直升机电 机控制系统出现故障导致飞机动力系统停车，将可能直接导致飞机发生坠机事故，直接 危及飞行员的生命安全，因此对载人电动直升机电机控制系统的可靠性提出了较为苛刻 的要求；受目前蓄电池能量密度的限制，载人电动直升机为了增加续航时间，飞机电机 控制系统为了减小体积及重量，采取了小型化紧凑设计，而这将对小型化紧凑设计对飞 机电机控制系统的可靠性及安全性提出了挑战。载人电动直升机电机控制系统由于其应 用载体的特殊性，除了要满足特定功能、小型化及轻量化要求外，还必须具备应对复杂 气象环境下的高可靠性。
3.载人电动直升机广泛选用体积小、功率密度高及转动惯量小的永磁同步电机，其电 机控制系统通常采用较成熟的矢量控制系统。由于在永磁同步电机矢量控制系统中，利 用电流闭环的技术方案实现定转子磁链定向，因此电流传感器、位置传感器对获取电流、 转子位置信息起决定性作用。当电流传感器、位置传感器失效时，控制系统无法获得电 流以及转子位置信息，这对于传统的电机矢量控制系统方案造成毁灭性的故障。而电流 传感器和位置传感器作为电机控制系统中较为薄弱的环节，易发生失效故障。
4.为了保证电机矢量控制系统的运行安全，需识别电流传感器、位置传感器故障类型、 故障特征及失效形式，并制定准确的故障诊断方法，及时快速地定位故障的位置及原因， 完成故障的处理，保证电机矢量控制系统的可靠稳定运行，故提出了一种适用于载人电 动直升机的电机冗余控制系统，是人们亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明公开提供了一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，该系 统能够在电流及位置传感器发生故障时，快速诊断故障，并采用位置及电流重构的方式， 重构位置及电流信息，保证载人电动直升机电机控制系统的稳定运行。
6.本发明提供的技术方案，具体为，一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统， 所述电机冗余控制系统包括：电流传感器、三相电压传感器、电机位置传感器、逆变换 模块、电机控制算法模块、电流故障诊断及重构模块、clarke电压逆变模块、速度及位 置监测模块和位置转速信号故障诊断及重构模块；
7.所述电机位置传感器安装在电机轴上，用于采集电机位置信号；
8.所述速度及位置监测模块与电机位置传感器信号连接，用于将所述采集电机位置信 号、速度转换成转子角θ及电机转速ωe；
9.位置转速信号故障诊断及重构模块与速度及位置监测模块信号连接，用于监测判
断电机 位置传感器是否发生失效故障；当发生电机位置传感器出现故障时，用于对电机位置信号进 行重构；所述位置转速信号故障诊断及重构模块与电机控制算法模块连接，用于输出电机控 制算法所需的电机转子角及转速信号；
10.所述电流故障诊断及重构模块与电流传感器连接，用于判断电流传感器是否发生失效故 障，当发生失效故障时，用于对电机输出两相电流信号进行重构；
11.电流故障诊断及重构模块与位置转速信号故障诊断及重构模块连接，用于输出位置及转 速信号重构所需的电机两相电流信号；
12.所述电流故障诊断及重构模块与电机控制算法模块连接，用于输出电机控制算法所需的 电机两相电流信号i
a_out
和i
b_out
；
13.所述位置转速信号故障诊断及重构模块与电机控制算法模块连接，用于输出电机转速信 号ω
e_out
和转子角θ
out
；
14.所述三相电压传感器安装在电机三相动力线上，用于采集电机三相电压ua、ub和uc；
15.所述clarke电压逆变模块与三相电压传感器连接，用于将所述三相交流电压ua、ub和 uc变换成两相交流电压u
α
和u
β
；
16.所述电流故障诊断及重构模块与clarke电压逆变模块信号连接，用于对电流信号重构， 输出重构后的电机两相电流给电机控制算法模块；
17.电机控制算法模块根据反馈电机转速信号ω
e_out
、转子角θ
out
、电机两相输出电流i
a_out
、 和i
b_out
，同时结合电机给定转速ω，输出六路svpwm信号驱动逆变换模块，逆变换模块将 直流电转换成三相交流电给电机提供电能。
18.优选，所述clarke电压逆变模块将三相交流电压变化成两相交流电压按照如下式子：
[0019][0020]
其中，u
α
和u
β
分别为电机在α和β坐标系下的两相交流电压，ua、ub和uc为电机三相输 入电压。
[0021]
进一步优选，电流故障诊断及重构模块根据电流传感器失效控制策略进行电流重构，输 出重构后的两相电流分别为和
[0022]
所述电流传感器失效控制策略为：
[0023]
永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电压回路方程可表示为：
[0024][0025]
其中，u
α
和u
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电压；i
α
和i
β
分别为永 磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电流；rs为定子电阻；ls为定子感抗；e
α
和e
β
分别 为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势；
[0026]
永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势可表示为：
[0027][0028]
其中，ψf为永磁体磁链；pn为磁极对数；ωe为电机转速；θ为电机转子角；
[0029]
由式(2)和式(3)，设计如下形式的观测器：
[0030][0031]
其中，g为观测器增益矩阵，该值可根据载人电动直升机的运行负载特性确定；ω
e～
为前 一采样周期电机转速信号；θ
～
为前一采样周期电机转子角；j为电机转动惯量，确定电机的转 动惯量可近似为常量；t
l
为电机负载转矩，载人电动直升机确定旋翼转速下的负载转矩可近 似为常量；fv为电机粘性摩擦因数，可近似为常量；i
α
和i
β
分别为电机定子电流的观测值；
[0032]
根据式观测器，观测得到电机定子电流i
α
和i
β
；经过反clarke变换即可获得电机三相定 子电流的估计值和完成定子电流的重构；
[0033][0034]
进一步优选，电流故障诊断及重构模块通过电流传感器故障诊断方法判断是否发生电流 传感器失效故障，若未发生电流传感器失效故障，且发生电机位置传感器失效，则电机位置 转速信号故障诊断及重构模块根据位置转速信号重构方法进行电机位置转速信号重构，并输 出重构后的电机转速及转子角
[0035]
所述电流传感器故障诊断方法：由于电机定子三相电流瞬时值和为零，采用双电流传感 器，分别布置于a、b两相，为检测电流传感器故障，将电流传感器采集到的电流值与前一个 采样周期采集到的电流信息进行对比，计算差值：
[0036][0037]
其中，δia为a相电流差值；i
a～
和i
b～
为电流传感器前一个采用周期的采样值；δib为b相 电流差值；
[0038]
载人电动直升机在巡航过程中，电机工作相电流不会发生突变，给定载人电动直升机电 机最大允许误差电流设定阈值δi0，当a相或b相电流差值超过阀值δi0时，即可判定为电流 传感器故障，需进行电机定子电流重构，电流故障诊断及重构模块输出电流满足：
[0039][0040]
其中，i
a_out
和i
b_out
分别为电流故障诊断及重构模块输出的永磁同步电机a相和b相电流。
[0041]
进一步优选，电机位置转速信号重构模块根据位置转速信号重构方法进行电机位置转速 信号重构，并输出重构后的电机转速及转子角
[0042]
已知永磁同步电机两相电流i
a_out
和i
b_out
，永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电 流可表示为：
[0043][0044]
其中，i
α
和i
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电流；
[0045]
根据滑模理论，永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势可表示为自变量的 开关函数形式：
[0046][0047]
其中，k为调制系数，可通过载人电动直升机电机负载特性获得；i
α～
和i
β～
分别为电机定 子电流在前一个采样周期获得的采样值；和为α和β两相坐标系下，实测与估算电流值 的差值。
[0048]
用低通滤波器对式(9)中的反电动势进行滤波，滤出反电动势中的高频观测噪声
[0049][0050]
其中，ωc为低通滤波器的截止频率；e
α
和e
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标 系下滤波后的反电动势；
[0051]
由式(3)和式(10)可得
[0052][0053]
其中，和分别为电机转速估算值和转子角估算值。
[0054]
进一步优选，所述位置转速信号故障诊断及重构模块根据电机位置传感器故障诊断方法 判断是否发生电机位置传感器失效故障；若未发生电机位置传感器失效故障，则输出电机转 子角θ
out
＝θ及转速ω
e_out
＝ωr，给电机控制算法模块；
[0055]
若发生电机位置传感器失效故障，则电流传感器分别采集电机两相输入电流i
a_out
和i
b_ou
；
[0056]
所述电机位置传感器故障诊断方法为：设定电机转子角的最大允许误差阈值为δθ0，当 电机转子角最大允许误差值超过阀值δθ0时，即可判定为位置传感器故障，需进行电机转子 角重构，位置转速信号故障诊断及重构模块输出电机转子角及转速满足：
[0057][0058]
其中，θ～为电机转子角在前一个采样周期的采样值；θ
out
和ω
e_out
分别为电机转子角和转 速的重构输出值。
[0059]
进一步优选，所述电流传感器和电机位置传感器同时被诊断为故障时，位置转速信号故 障诊断及重构模块根据电机故障诊断及重构模块前一个采样周期输出的电流信号ia～和i
b～
进 行电机位置信号重构，输出电机转子角θ
out
及转速ω
e_out
，给电机控制算法模块，用于输出电 机控制算法所需的转子角及电机转速信号；电机故障诊断及重构模块根据位置转速信号故障 诊断及重构模块前一个采样周期输出的电机转子角θ
～
进行电机电流信号重构，输出电机两相 电流i
a_out
和i
b_out
，给电机控制算法模块，用于输出电机控制算法所需的电机两相电流信号。
[0060]
本发明提供的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，应用其可以保证载人电 动飞机的飞行安全，保障不会出现动力丧失而导致飞机发生坠机事故，该控制系统主要针对 载人电动飞机在飞行过程中易发生失效故障的电流及位置传感器，分别提出了不同的冗余控 制方法，在电流及位置传感器发生故障时，能够快速诊断故障，并采用位置及电流重构的方 式，重构位置及电流信息，保证载人电动直升机电机控制系统的稳定运行。
[0061]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能 限制本发明的公开。
附图说明
[0062]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并 与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0063]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0064]
图1为本发明公开实施例提供的载人电动直升机电机的冗余控制框图；
[0065]
图2为本发明公开实施例提供的载人电动直升机电机的冗余控制流程图。
具体实施方式
[0066]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时， 除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述 的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书 中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。
[0067]
在载人电动直升机飞行过程中，应选取确定的电流传感器故障诊断方法，实时监测电机 控制系统的运行状态；常见的故障诊断方法包括硬件冗余和算法诊断两种。硬件诊断需在电 机控制器内相同位置布置冗余的传感器，保证电机矢量控制系统的安全可靠运行，但载人电 动直升机对其电机控制系统的重量及体积要求较为苛刻，硬件冗余法不适用。算法诊断主要 包括基于模型、基于信号及基于知识的三种类型。基于信号和基于知识的故障诊断方法在进 行容错控制时需要单独设计观测器，无法为电机控制系统提供容错控制所需的相应估计值， 增加了电机控制系统的复杂程度，因此，不能应用于载人电动直升机电机控制系统。
[0068]
而基于模型法是利用电机数学模型进行故障诊断，根据电机数学模型建立相应的智能观 测器进行状态估算，然后将其作为基准与传感器的测量信号进行对比，以残差信号的大小评 价传感器的工作状态。通过合理设计残差阈值为传感器设定故障与正常两种工作状态，并对 残差值进行大量的训练，可实现准确的电流传感器运行工况的在线故障监测，能够满足载人 电动直升机电机控制系统电流传感器故障诊断在线监测的需求。
[0069]
当判定电机电流传感器出现失效故障的情况下，应首先依据电流传感器的拓扑结构、工 作原理，确定电流传感器失效数量、故障类型、故障特征及失效形式，选取适合电流传感器 失效控制策略，当电机相电流传感器失效数量1个时，可采用电机零序模型电流重构方式， 避免转矩或者磁链等突变影响，重构电机相电流，实现电机正常运行与故障运行的自然过渡， 保证载人电动直升机飞行安全；而当失效电流传感器超过1个时，可根据故障后的系统拓扑 结构特点以及电机相电流和母线电流的关系，建立故障后的电机控制系统数学模型，平滑切 换到单电流控制模式，保证电机控制系统的运行，而电流传感器失效超过1的情况较少。
[0070]
针对载人电动直升机电机位置传感器可能出现失效的情况，在载人电动直升机飞行过程 中，需要首先构建电机位置传感器故障库，提出电机位置传感器故障诊断方法，对电机位置 传感器工作情况进行监控，及时对故障进行诊断。采用基于模型法的故障诊断方法，设计电 机转子位置观测器，根据滑模控制等先进人工智能理论设计观测器，获得转子位置和转速的 观测值，根据观测值判定电机位置传感器是否发生故障。当确定电机位置传感器失效后，应 平滑切换至电机无位置传感器控制；而载人电动直升机电机负载转矩随转速呈二次方关系增 加，载人电动直升机在飞行过程中，电机运行转速较高且转矩较大，需
建立无位置传感器的 非线性精准控制模型，利用状态全阶观测器对电机转子角度进行估算，满足电机控制系统对 电机转子角度的需求，保证电机控制系统的稳定运行，保证载人电动直升机的飞行安全。
[0071]
故针对现有技术中载人电动直升机的电机控制系统中电流传感器和位置传感器易发 生失效故障，为了保证电机矢量控制系统的运行安全，识别电流传感器、位置传感器故 障类型、故障特征及失效形式，并制定准确的故障诊断方法，及时快速地定位故障的位 置及原因，完成故障的处理，保证电机矢量控制系统的可靠稳定运行，本实施方案提供 了一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，如图1所示，该电机冗余控制系统 包括：电流传感器1、三相电压传感器2，电机位置传感器3、逆变换模块4、电机控制 算法模块5、clarke电压逆变模块6、速度及位置监测模块7、电流故障诊断及重构模块 8和位置转速信号故障诊断及重构模块9；
[0072]
电机位置传感器3安装在电机轴上，用于采集电机位置信号、速度；
[0073]
速度及位置监测模块7与电机位置传感器3连接，用于将所述电机位置信号转换成 转子角θ及电机转速ωe；
[0074]
位置转速信号故障诊断及重构模块9与速度及位置监测模块7信号连接，用于监测判断 电机位置传感器3是否发生失效故障，当发生电机位置传感器出现故障时，用于电机位置信 号进行重构；所述位置转速信号故障诊断及重构模块9与电机控制算法模块5连接，用于输 出电机控制算法所需的转子角及电机转速信号；
[0075]
电流传感器1安装在电机三相动力线上，用于采集电机两相输入电流ia和ib；
[0076]
电流故障诊断及重构模块8与电流传感器1连接，用于判断电流传感器是否发生失效故 障；
[0077]
电流故障诊断及重构模块8与位置转速信号故障诊断及重构模块9连接，位置转速信号 故障诊断及重构模块9用于对电机位置转速信号进行重构；
[0078]
电流故障诊断及重构模块8与电机控制算法模块5连接，用于输出电机控制算法所需的 电机两相电流信号；
[0079]
位置转速信号故障诊断及重构模块9与电机控制算法模块5连接，用于输出电机转速信 号ω
e_out
和转子角θ
out
；
[0080]
三相电压传感器2安装在电机三相动力线上，用于采集电机三相电压ua、ub和uc；
[0081]
clarke电压逆变模块6与三相电压传感器2连接，用于将所述三相电压ua、ub和uc变 换成两相交流电压u
α
和u
β
；
[0082]
电流故障诊断及重构模块8与clarke电压逆变模块6信号连接，用于对电流就行重构， 输出重构后的电机两相电流给电机控制算法模块5；
[0083]
电机控制算法模块5根据反馈电机转速信号ω
e_out
、转子角θ
out
、电机两相输出电流i
a_out
、 和i
b_out
，同时结合电机给定转速ω，输出六路svpwm信号驱动逆变换模块4，逆变换模块4 将直流电转换成三相交流电给电机提供电能。
[0084]
上述clarke电压逆变模块将三相交流电压变化成两相交流电压按照如下式子：
[0085][0086]
其中，u
α
和u
β
分别为电机在α和β坐标系下的两相交流电压，ua、ub和uc为电机三相输 入电压。
[0087]
上述电流故障诊断及重构模块8根据电流传感器失效控制策略进行电流重构，输出重构 后的两相电流分别为和
[0088]
所述电流传感器失效控制策略为：
[0089]
永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电压回路方程可表示为
[0090][0091]
其中，u
α
和u
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电压；i
α
和i
β
分别为永 磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电流；rs为定子电阻；ls为定子感抗；e
α
和e
β
分别 为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势；
[0092]
永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势可表示为：
[0093][0094]
其中，ψf为永磁体磁链；pn为磁极对数；ωe为电机转速；θ为电机转子角；
[0095]
由式(2)和式(3)，设计如下形式的观测器：
[0096][0097]
其中，g为观测器增益矩阵，该值可根据载人电动直升机的运行负载特性确定；ω
e～
为前 一采样周期电机转速信号；θ
～
为前一采样周期电机转子角；j为电机转动惯量，确定电机的转 动惯量可近似为常量；t
l
为电机负载转矩，载人电动直升机确定旋翼转速下的负载转矩可近 似为常量；fv为电机粘性摩擦因数，可近似为常量；i
α
和i
β
分别为电机定子电流的观测值；
[0098]
根据式(4)观测器，观测得到电机定子电流i
α
和i
β
；经过反clarke变换即可获得电机三 相定子电流的估计值和完成定子电流的重构；
[0099][0100]
上述电流故障诊断及重构模块8通过电流传感器故障诊断方法判断是否发生电流传感器 失效故障，若未发生电流传感器失效故障，且发生电机位置传感器失效，则电机位置转速信 号故障诊断及重构模块9根据位置转速信号重构方法进行电机位置转速信号重构，并输出重 构后的电机转速及转子角
[0101]
其中电流传感器故障诊断方法：由于电机定子三相电流瞬时值和为零，采用双电流传 感器，分别布置于a、b两相，为检测电流传感器故障，将电流传感器采集到的电流值与前一 个采样周期采集到的电流信息进行对比，计算差值：
[0102][0103]
其中，δia为a相电流差值；i
a～
和i
b～
为电流传感器前一个采用周期的采样值；δib为b相 电流差值；
[0104]
载人电动直升机在巡航过程中，电机工作相电流不会发生突变，给定载人电动直升机电 机最大允许误差电流设定阈值δi0，当a相或b相电流差值超过阀值δi0时，即可判定为电流 传感器故障，需进行电机定子电流重构，电流故障诊断及重构模块8输出电流满足：
[0105][0106]
其中，i
a_out
和i
b_out
分别为电流故障诊断及重构模块8输出的永磁同步电机a相和b相电 流。
[0107]
上述电机位置转速信号故障诊断及重构模块9根据位置转速信号重构方法进行电机位置 转速信号重构，并输出重构后的电机转速及转子角
[0108]
已知永磁同步电机两相电流i
a_out
和i
b_out
，永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电 流可表示为：
[0109][0110]
其中，i
α
和i
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电流；
[0111]
根据滑模理论，永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势可表示为自变量的 开关函数形式：
[0112][0113]
其中，k为调制系数，可通过载人电动直升机电机负载特性获得；i
α～
和i
β～
分别为电机定 子电流在前一个采样周期获得的采样值；和为α和β两相坐标系下，实测与估算电流值 的差值；
[0114]
用低通滤波器对式(9)中的反电动势进行滤波，滤出反电动势中的高频观测噪声：
[0115][0116]
其中，ωc为低通滤波器的截止频率；e
α
和e
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标 系下滤波后的反电动势；
[0117]
由式(3)和式(10)可得
[0118][0119]
其中，和分别为电机转速估算值和转子角估算值。
[0120]
上述位置传感器故障诊断模块6根据电机位置传感器故障诊断方法判断是否发生电机位 置传感器失效故障；若未发生电机位置传感器失效故障，则输出电机转子角θ
out
＝θ及转速 ω
e_out
＝ωe，给电机控制算法模块2；
[0121]
若发生电机位置传感器失效故障，则电流传感器分别采集电机两相输入电流i
a_out
和i
b_out
， 进行电机位置转速信号重构；
[0122]
上述电机位置传感器故障诊断方法为：设定电机转子角的最大允许误差阈值为δθ0，当 电机转子角最大允许误差值超过阀值δθ0时，即可判定为位置传感器故障，需进行电机转子 角重构，其重构后输出电机转子角及转速满足：
[0123][0124]
其中，θ
～
为电机转子角在前一个采样周期的采样值；θ
out
和ω
e_out
分别为电机转子角和转 速的重构输出值。
[0125]
上述电流传感器1和电机位置传感器3同时被诊断为故障时，位置转速信号故障诊断及 重构模块9根据电机故障诊断及重构模块8前一个采样周期输出的电流信号i
a～
和i
b～
进行电机 位置信号重构，输出电机转子角θ
out
及转速ω
e_out
，给电机控制算法模块5，用于输出电机控 制算法所需的转子角及电机转速信号；电机故障诊断及重构模块8根据位置转速信号故障诊 断及重构模块9前一个采样周期输出的电机转子角θ
～
进行电机电流信号重构，输出电机两相 电流i
a_out
和i
b_out
，给电机控制算法模块5，用于输出电机控制算法所需的电机两相电流信号。
[0126]
本实施方案提供的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统的工作原理为：
[0127]
(1)安装在电机轴上电机位置传感器3采集电机位置信号，速度及位置监测模块7将电 机位置信号转换成电机转速ωe及转子角θ；
[0128]
(2)位置转速信号故障诊断及重构模块9根据电机位置传感器故障诊断方法判断是否发 生电机位置传感器失效故障，若未发生电机位置传感器失效故障，则输出电机转子角θ
out
＝θ 及转速ω
e_out
＝ωe，给电机控制算法模块5；
[0129]
(3)若发生电机位置传感器失效故障，分别采集电流故障诊断及重构模块8输出的电机 两相电流i
a_out
和i
b_out
.，根据位置转速信号重构方法进行电机位置转速信号重构，并输出重构 后的电机转速及转子角
[0130]
与现有电机传统矢量控制相比，能够在载人电动直升机电机轴上的位置传感器出现故障 的情况下，通过位置信号重构，重新获得电机控制系统所需的位置信息，保证飞机电机控制 系统不会因位置信号丢失而停机，保障载人电动直升机飞机的飞行安全；
[0131]
(4)若电流传感器1和电机位置传感器3同时被诊断为故障时，位置转速信号故障诊断 及重构模块9根据电机故障诊断及重构模块8前一个采样周期输出的电流信号i
a～
和i
b～
进行电 机位置信号重构，输出电机转子角θ
out
及转速ω
e_out
；
[0132]
(5)电流故障诊断及重构模块8通过电流传感器故障诊断方法判断是否发生电流传感器 失效故障，若发生电流传感器失效故障，安装在电机三相动力线上的三相电压传感器分别采 集电机的三相电压ua、ub和uc，三相电压ua、ub和uc经由clarke电压逆变模块变换成两相交 流电压u
α
和u
β
，电流故障诊断及重构模块8根据电流传感器失效控制策略进行电流重构，输 出重构后的两相电流分别为和给电机控制算法模块。与现有电机传统矢量 控制相比，能够在载人电动直升机电机控制系统中的电流传感器出现故障的情况下，通过电 流重构的方式，重构三相电流，保证电机控制系统不会因三相电流信号丢失而出现停车故障， 保障载人电动直升机不会因动力不丧失而出现坠机事故；
[0133]
(6)若电流传感器1和电机位置传感器3同时被诊断为故障时，电机故障诊断及重构模 块8根据位置转速信号故障诊断及重构模块9前一个采样周期输出的电机转子角θ
～
进行电机 电流信号重构，输出电机两相电流i
a_out
和i
b_out
；
[0134]
(7)电机控制算法模块根据反馈电机转速信ω
e_out
、转子角θ
out
、电机电流i
a_out
和i
b_out
， 同时结合电机给定转速ω，输出六路svpwm信号，驱动逆变换模块，逆变换模块将直流电 转换成三相交流电给电机提供电能，其控制流程图如图2所示
[0135]
本发明通过电流及位置信号重构的方式，获得了一种适用于载人电动直升机的电
机的冗 余控制系统，在不加硬件成本及重量的前提下，提高了载人电动直升机电机控制系统的可靠 性。
[0136]
2020年7月11日，应用上述系统，研制了一款单旋翼带尾桨布局的单人电动直升机的 首飞成功，通过将本发明应用到该款飞机电机控制上，替代传统电机控制器，通过与传统电 机控制对比结果发现，采用本发明的控制方法有效提高了飞机电机的控制的可靠性，在出现 电流及电机位置传感器故障时，能够保证飞机电机控制器的稳定运行，提高了飞机飞行的安 全性。
[0137]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它 实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途 或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常 识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权 利要求指出。

技术特征：
1.一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，其特征在于，所述电机冗余控制系统包括：电流传感器(1)、三相电压传感器(2)、电机位置传感器(3)、逆变换模块(4)、电机控制算法模块(5)、clarke电压逆变模块(6)、速度及位置监测模块(7)、电流故障诊断及重构模块(8)和位置转速信号故障诊断及重构模块(9)；所述电机位置传感器(3)安装在电机轴上，用于采集电机位置信号；所述速度及位置监测模块(7)与电机位置传感器(3)连接，用于将所述电机位置信号转换成转子角θ及电机转速ω
e
；位置转速信号故障诊断及重构模块(9)与速度及位置监测模块(7)信号连接，用于监测判断电机位置传感器(3)是否发生失效故障，当发生电机位置传感器出现故障时，用于对电机位置信号进行重构；所述电流传感器(1)安装在电机三相动力线上，用于采集电机两相输入电流i
a
和i
b
；所述电流故障诊断及重构模块(8)与电流传感器(1)连接，用于判断电流传感器是否发生失效故障，当发生失效故障时，用于对电机输出两相电流信号进行重构；电流故障诊断及重构模块(8)与位置转速信号故障诊断及重构模块(9)连接，用于输出位置及转速信号重构所需的电机两相电流信号；所述电流故障诊断及重构模块(8)与电机控制算法模块(5)连接，用于输出电机控制算法所需的电机两相电流信号i
a_out
和i
b_out
；所述位置转速信号故障诊断及重构模块(9)与电机控制算法模块(5)连接，用于输出电机控制算法所需的电机转速信号ω
e_out
和转子角θ
out
；所述三相电压传感器(2)安装在电机三相动力线上，用于采集电机的三相交流电压u
a
、u
b
和u
c
；所述clarke电压逆变模块(6)与三相电压传感器(2)连接，用于将所述三相交流电压u
a
、u
b
和u
c
变换成两相交流电压u
α
和u
β
；所述电流故障诊断及重构模块(8)与clarke电压逆变模块(6)信号连接，用于对电流信号重构，输出重构后的电机两相电流给电机控制算法模块(5)；电机控制算法模块(5)根据反馈电机转速信号ω
e_out
、转子角θ
out
、电机两相输出电流i
a_out
、和i
b_out
，同时结合电机给定转速ω，输出六路svpwm信号驱动逆变换模块(4)，逆变换模块(4)将直流电转换成三相交流电给电机提供电能。2.根据权利要求1所述的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，其特征在于，所述clarke电压逆变模块(6)将三相交流电压变化成两相交流电压按照如下式子：其中，u
α
和u
β
分别为电机在α和β坐标系下的两相交流电压，u
a
、u
b
和u
c
为电机三相输入电压。3.根据权利要求1所述的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，其特征在于，电流故障诊断及重构模块(8)根据电流传感器失效控制策略进行电流重构，输出重构后
的电机两相电流信号分别为和所述电流传感器失效控制策略为：永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电压回路方程可表示为其中，u
α
和u
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电压；i
α
和i
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电流；r
s
为定子电阻；l
s
为定子感抗；e
α
和e
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势；永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势可表示为：其中，ψ
f
为永磁体磁链；p
n
为磁极对数；ω
e
为电机转速；θ为电机转子角；由式(2)和式(3)，设计如下形式的观测器：其中，g为观测器增益矩阵，该值可根据载人电动直升机的运行负载特性确定；ω
e～
为前一采样周期电机转速信号；θ
～
为前一采样周期电机转子角；j为电机转动惯量，确定电机的转动惯量可近似为常量；t
l
为电机负载转矩，载人电动直升机确定旋翼转速下的负载转矩可近似为常量；f
v
为电机粘性摩擦因数，可近似为常量；i
α
和i
β
分别为电机定子电流的观测值；根据式(4)观测器，观测得到电机定子电流i
α
和i
β
；经过反clarke变换即可获得电机三相定子电流的估计值和完成定子电流的重构；4.根据权利要求1所述的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，其特征在于，电流故障诊断及重构模块(8)通过电流传感器故障诊断方法判断是否发生电流传感器失效故障，若未发生电流传感器失效故障，且发生电机位置传感器失效，则位置转速信号故障诊断及重构模块(9)根据电机位置转速信号重构方法进行电机位置转速信号重构，并输出重构后的电机转速及转子角
所述电流传感器故障诊断方法：由于电机定子三相电流瞬时值和为零，采用双电流传感器，分别布置于a、b两相，为检测电流传感器故障，将电流传感器采集到的电流值与前一个采样周期采集到的电流信息进行对比，计算差值：其中，δi
a
为a相电流差值；i
a～
和i
b～
为电流传感器前一个采样周期的采样值；δi
b
为b相电流差值；载人电动直升机在巡航过程中，电机工作相电流在相邻采样周期内不会发生突变，给定载人电动直升机电机最大允许误差电流设定阈值δi0，当a相或b相电流差值超过阀值δi0时，即可判定为电流传感器故障，需进行电机定子电流重构，电流故障诊断及重构模块(8)输出电流满足：其中，i
a_out
和i
b_out
分别为电流故障诊断及重构模块(8)输出的永磁同步电机a相和b相电流。5.根据权利要求1所述的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，其特征在于，位置转速信号故障诊断及重构模块(9)根据电机位置转速信号重构方法进行电机位置转速信号重构，并输出重构后的电机转速及转子角已知永磁同步电机两相电流i
a_out
和i
b_out
，永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电流可表示为：其中，i
α
和i
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的电流。根据滑模理论，永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下的反电动势可表示为自变量的开关函数形式：其中，k为调制系数，可通过载人电动直升机电机负载特性获得；i
α～
和i
β～
分别为电机定
子电流在前一个采样周期获得的采样值；和为α和β两相坐标系下，实测与估算电流值的差值；用低通滤波器对式(9)中的反电动势进行滤波，滤出反电动势中的高频观测噪声：其中，ω
c
为低通滤波器的截止频率；e
α
和e
β
分别为永磁同步电机定子在α和β两相坐标系下滤波后的反电动势；由式(3)和式(10)可得其中，和分别为电机转速估算值和转子角估算值。6.根据权利要求1所述的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，其特征在于，所述位置转速信号故障诊断及重构模块(9)根据电机位置传感器故障诊断方法判断是否发生电机位置传感器失效故障；若未发生电机位置传感器失效故障，则输出电机转子角θ及转速ω
e
，给电机控制算法模块(5)；若发生电机位置传感器失效故障，则电流传感器分别采集电机两相电流信号i
a_out
和i
b_out
，进行电机位置转速信号重构；所述电机位置传感器故障诊断方法为：设定电机转子角的最大允许误差阈值为δθ0，当电机转子角最大允许误差值超过阀值δθ0时，即可判定为位置传感器故障，需进行电机转子角重构，位置转速信号故障诊断及重构模块(9)输出电机转子角及转速满足：其中，θ
～
为电机转子角在前一个采样周期的采样值；θ
out
和ω
e_out
分别为电机转子角和转速的重构输出值。7.根据权利要求1所述的一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，其特征在于，所述电流传感器(1)和电机位置传感器(3)同时被诊断为故障时，位置转速信号故障诊断及重构模块(9)根据电机故障诊断及重构模块(8)前一个采样周期输出的电流信号i
a～
和i
b～
进行电机位置信号重构，输出电机转子角θ
out
及转速ω
e_out
，给电机控制算法模块(5)，用于输出电机控制算法所需的转子角及电机转速信号；电机故障诊断及重构模块(8)根据位置转速信号故障诊断及重构模块(9)前一个采样周期输出的电机转子角θ
～
进行电机电流信号重构，输出电机两相电流信号i
a_out
和i
b_out
，给电机控制算法模块(5)，用于输出电机控制算法所需的电机两相电流信号。

技术总结
本发明公开了一种适用于载人电动直升机的电机冗余控制系统，该电机冗余控制系统包括：电流传感器、三相电压传感器、电机位置传感器、逆变换模块、电机控制算法模块、电流故障诊断及重构模块、Clarke电压逆变模块、速度及位置监测模块和位置转速信号故障诊断及重构模块；应用上述系统可以保证载人电动直升机的飞行安全，保障不会出现因飞机动力丧失而导致发生坠机事故，该控制系统主要针对载人电动飞机在巡航过程中易发生失效故障的电流及位置传感器，分别提出了不同的冗余控制方法，在电流及位置传感器发生故障时，能够快速诊断故障，分别采用位置及电流重构的方式，重构位置及电流信息，并将故障信息上传至飞行辅助显控系统，警示飞行员，选择合适地点进行迫降，保证载人电动直升机电机控制系统的稳定运行。人电动直升机电机控制系统的稳定运行。人电动直升机电机控制系统的稳定运行。


技术研发人员：王书礼 张庆新 孟筠 杨森童 冯严
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2022.05.20
技术公布日：2022/11/1