一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机控制技术的领域，尤其涉及一种双绕组永磁容错电机垂直提升系 统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着多电飞机和直升机的日益发展，目前，研发新一代航空用电机驱动系统已成 为航空领域里的一个热点课题。其中，直升机绞车通常以液压或电力作为驱动力，通过缠绕 钢索或缆绳来提升或索降载荷，使用方便快捷，尤其是在抢险救援、医疗救护、公安执法、消 防救火等公共事务中有着卓越的表现。
[0003] 传统的液压直升机绞车由于液压油渗漏、拆装不便、调速困难等缺点逐步被电动 直升机绞车所取代，这是由于电动直升机绞车具有安装方便、使用可靠、重量轻、体积小、耗 油少等优点。然而电动直升机绞车的核心是电机驱动系统，由于器件特性变化、绝缘老化以 及电磁干扰等原因，电机驱动系统不可避免的会发生系统故障，其中电机绕组开路故障尤 为常见。因此，用于电动直升机绞车的电驱动垂直提升系统除了要满足特定功能外，还必须 具备高可靠性和强容错性。
[0004] 近年来，提高电机驱动系统可靠性与容错性的方法得到了一定发展。其中，余度技 术具有原理简单、结构清晰、控制简单易行、可靠性高等优点，但由于传统的余度电机均采 用绕组分布绕制的永磁电机，因此绕组一旦短路后将出现极大的短路电流且存在磁场耦合 影响，从而使电机驱动系统无法正常工作。开关磁阻电机因其结构简单可靠且具有固有的 容错特性，可克服传统余度电机控制技术的弊端。但与永磁电机相比，该电机存在功率密度 较低、转矩脉动较大、噪音较大以及效率低等缺点。
[0005] 永磁容错电机系统不仅具有一般永磁电机的体积小、功率密度高和转矩脉动小 等优点，还具有磁隔离、物理隔离、热隔离、电气隔离和抑制短路电流的特点，结合容错控 制算法，能使整个电机控制系统具备较强的容错能力和较高的可靠性。自1996年起，英 国Newscastle大学的B. C. Mecrow教授提出了非备份式永磁容错电机及其控制系统，并先 后完成了六相八极和四相六极航空用永磁容错电机系统，其容错控制方法主要采取利用磁 链、电流与转子位置之间的关系表格通过查表的方式进行故障辨识及容错控制，该控制简 单，易实现数字化，但由于不同功率等级的容错电机，其磁链、电流及位置之间的关系也不 一样，需重新测量其关系表格，因此，前期准备的工作量较大，同时该控制算法的移植性不 强。此外，Shefield大学的D. Howe教授等提出了模块化永磁无刷容错电机，并提出了基于 电流滞环的最优转矩控制策略，但该方法的解析式比较复杂，且需要复杂的多次迭代计算， 从而使控制算法过于复杂。但目前的永磁容错电机系统及其控制方法仍存在一个明显不 足：由于系统的每相绕组采用H桥驱动，使得与余度电机驱动相比，主功率管增加了一倍， 降低了系统的可靠性和功率密度，不利于结构优化，并且控制算法过于复杂，在实现系统可 靠性和容错性上都还有待于进一步提高。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及到的缺陷，提供一种双绕组 永磁容错电机垂直提升系统及其控制方法，简单易行，使系统具有可靠性高、功率密度高、 提升索降工况双向控制等优点。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] -种双绕组永磁容错电机垂直提升系统，包含第一至第二控制电路、双绕组永磁 容错电机、减速器和垂直提升模块；
[0009] 所述双绕组永磁容错电机的定子中包含两套相互独立的对称分布的三相绕组a、 b、c和X、y、z，均采用电枢绕组集中式隔齿绕制方式；
[0010] 所述第一控制电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组a、b、C对应相连；
[0011] 所述第二控制电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组X、y、z对应相连；
[0012] 所述双绕组永磁容错电机的输出端通过减速器和垂直提升模块相连。
[0013] 作为本发明一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统进一步的优化方案，所述双绕 组永磁容错电机的转子采用转子外径离心度为IOmm的永磁体磁钢离心结构。
[0014] 作为本发明一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统进一步的优化方案，所述垂直 提升模块包含卷盘、铜丝绳和负载机构；
[0015] 所述铜丝绳一端和卷盘相连，另一端和负载机构相连；
[0016] 所述卷盘的转轴通过减速器和所述双绕组永磁容错电机的输出端相连。
[0017] 作为本发明一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统进一步的优化方案，所述第一 控制电路和第二控制电路均包含整流电路、制动电路、三相全桥驱动电路，所述整流电路、 制动电路、三相全桥驱动电路依次相连；
[0018] 所述第一控制电路中的三相全桥驱动电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组 a、b、c对应相连；
[0019] 所述第二控制电路中的三相全桥驱动电路和双绕组永磁容错电机定子中的绕组 X、y、z对应相连。
[0020] 本发明还公开了一种基于所述双绕组永磁容错电机垂直提升系统的控制方法，包 含以下步骤：
[0021] 步骤1)，通过霍尔传感器采集双绕组永磁容错电机中绕组a、b、c和绕组x、y、z的 电流i a、ib、1。和i x、iy、iz，然后将其分别通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下各自实际电 流值 idl、iqjP i d2、iq2;
[0022] 步骤2)，通过位置信号检测采集得到双绕组永磁容错电机的转子位置信号θ，并 对转子位置信号进行微分得到速度信号转子机械角速度ω^
[0023] 步骤3)，针对双绕组永磁容错电机垂直提升系统，建立系统在提升工况时的数学 模型，其在三相坐标系下分别建立的电机绕组a、b、c和绕组X、y、ζ的电压和磁链方程为：
[0025] 其中，Vabc= [Va Vb Vjqtl Φ abc= [ Φ a ιΚ φ Jt 分别为绕组 a、b、c 的相电压和 定子磁链，P为微分算子，iabc= [ia ib iJT为绕组a、b、c的相电流，R' s= diaglH Rs Rj T为定子电阻，Vxyz= [Vx Vy VJT为绕组x、y、z的相电压，Φ xyz= [Φ x Φζ]τ为绕组x、 y、ζ的定子磁链，ixyz= [i x iy iz]T为绕组x、y、ζ的相电流，L' n、L' 22分别为绕组a、b、c 和绕组x、y、z的定子电感，Φ fab。、Φ fxyz分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；
[0026] 根据功率守恒进行坐标变换后，其旋转坐标系下的d-q轴的电压方程为：
[0029] 其中，Wf3为转子电角速度，ω Ρηωρ 为转子机械角速度，PnS电机极对数， Udi、心分别为绕组a、b、c的d-q轴电压，U d2、!^分别为绕组X、y、ζ的d-q轴电压，R s为定 子电阻，P为微分算子，Ldll、Lqll分别为绕组a、b、c的d-q轴电感，L d22、Lq22分别为绕组X、 y、z的d-q轴电感，Φ dl、Φ ql和Φ d2、Φ q2分别为绕组a、b、c和绕组X、y、z的d-q轴