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
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
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。
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。
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。
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
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。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一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；
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；
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；
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；
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。
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10mm的永磁体磁钢离心结构。
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；
所述铜丝绳一端和卷盘相连，另一端和负载机构相连；
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。
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；
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；
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。
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：
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ia、ib、ic和ix、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id1、iq1和id2、iq2；
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ωr；
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、z的电压和磁链方程为：
V a b c = R s ′ i a b c + pψ a b c V x y z = R s ′ i x y z + pψ x y z ψ a b c = L 11 ′ i a b c + ψ f a b c ψ z y z = L 22 ′ i x y z + ψ f x y z ]]>
其中，Vabc＝[VaVbVc]T和ψabc＝[ψaψbψc]T分别为绕组a、b、c的相电压和定子磁链，р
为微分算子，iabc＝[iaibic]T为绕组a、b、c的相电流，R’s＝diag[RsRsRs]T为定子电阻，Vxyz＝[Vx
VyVz]T为绕组x、y、z的相电压，ψxyz＝[ψxψyψz]T为绕组x、y、z的定子磁链，ixyz＝[ixiyiz]T为
绕组x、y、z的相电流，L’11、L’22分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的定子电感，ψfabc、ψfxyz
分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；
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：
U d 1 = R s i d 1 + pψ d 1 - ω e ψ q 1 U q 1 = R s i q 1 + pψ q 1 + ω e ψ d 1 ψ d 1 = L d 11 i d 1 + ψ f ψ q 1 = L q 11 i q 1 ]]>
U d 2 = R s i d 2 + p ψ d 2 - ω e ψ q 2 U q 2 = R s i q 2 + pψ q 2 + ω e ψ d 2 ψ d 2 = L d 22 i d 2 + ψ f ψ q 2 = L q 22 i q 2 ]]>
其中，ωe为转子电角速度，ωe＝Pnωr，ωr为转子机械角速度，Pn为电机极对数，Ud1、
Uq1分别为绕组a、b、c的d-q轴电压，Ud2、Uq2分别为绕组x、y、z的d-q轴电压，Rs为定
子电阻，р为微分算子，Ld11、Lq11分别为绕组a、b、c的d-q轴电感，Ld22、Lq22分别为绕
组x、y、z的d-q轴电感,ψd1、ψq1和ψd2、ψq2分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的d-q轴
定子磁链，ψf为永磁体磁链；
步骤4)，当双绕组永磁容错电机垂直提升系统运行在提升工况时，绕组a、b、c和绕组
x、y、z的电磁转矩Te1和Te2方程为：
T e 1 = 3 2 P n [ ψ f i q 1 + ( L d 11 - L q 11 ) i d 1 i q 1 ] ]]>
T e 2 = 3 2 P n [ ψ f i q 2 + ( L d 22 - L q 22 ) i d 2 i q 2 ] ]]>
电机的总电磁转矩Te为：
Te＝Te1+Te2
系统运行在提升工况时的运动方程为：
T e - T L - Bω r = J dω r d t ]]>
其中，TL为负载转矩，单位Nm；J为电机转动惯量，单位kg·m2；B为粘滞摩擦系数；
步骤5)，当双绕组永磁容错电机垂直提升系统运行在索降工况时，系统在索降工况时的
运动方程为：
T ω - T e - Bω r = J dω r d t ]]>
其中，Tω为外部索降转矩，Te为电机的总电磁转矩，单位Nm；J为电机转动惯量，单
位kg·m2；B为粘滞摩擦系数；
步骤6)，当母线电压大于给定的母线制动电压阈值时，根据以下制动电路控制模型将索
降过程产生的多余的电能转化为热能消耗掉：
1 2 C ( U d c - U d c * ) 2 = U d c 2 R L · D ]]>
其中，C为母线两端的电解电容，Udc为母线电压，Udc*为给定的母线制动电压阀值，RL
为制动电路上的制动电阻，D为制动电路占空比，D的设置规律表达式为：
D = 0 , ( U d c ≤ U d c * ) K p ( U d c - U d c * ) , ( U d c > U d c * ) ]]>
其中，Kp为比例调节系数；
步骤7)，采用基于转速、电流、电压双向控制的热备份余度控制策略，在提升工况中，
双绕组容错电机通过速度控制器进行速度控制，通过电流控制器进行力矩控制；而在索降工
况中由于有泵升电压将在提升工况控制的基础上再通过电压控制器和制动单元同时对电压进
行控制，从而实现负载匀速下降。
作为基于所述双绕组永磁容错电机垂直提升系统的控制方法进一步的优化方案，采用基
于转速、电流、电压双向控制的热备份余度容错控制策略，当系统正常时，电机两套绕组各
自对应的余度同时工作，每套绕组各自输出50％的功率；当系统的某一套绕组发生故障时，
通过开路故障诊断方法进行诊断，首先将诊断出发生故障的一套绕组从系统中切除，其次利
用余度通信功能将该故障信号传递到正常的一套绕组中，进而改变正常的一套绕组的控制状
态，增加其输出功率，使其输出100％的功率，进而保证系统输出功率不变，实现容错控制。
作为基于所述双绕组永磁容错电机垂直提升系统的控制方法进一步的优化方案，所述开
路故障诊断方法的具体步骤为：
步骤A)，将采集到的电流ia、ib、ic、ix、iy、iz分别代入各相电流诊断方程处理得到各
相的电流诊断值其各相电流诊断方程为：
I g det e c t = 1 nT s ∫ t 1 t 2 | i g | d t ]]>
其中，t2-t1＝nTs，t1、t2分别为采样的起止时间点，Ts为采样周期，n为经历的采样周期
个数，g＝a,b,c,x,y,z；
步骤B)，将处理得到的各相电流诊断值，代入开路故障诊断方程处理得到各相绕组是否
出现开路的表示值，其开路故障诊断方程为：
K g = 0 , I g det e c t = 0 a n d ω r ≠ 0 1 , o t h e r w i s e ]]>
其中，Kg为各相绕组是否出现开路的表示值，其值为0表示出现开路，为1表示正常；
步骤C)，根据处理得到的各相绕组是否出现开路的表示值，代入开路故障处理方程得到开
路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其开路故障处理方程为：
S 1 = 0 , K a = 0 o r K b = 0 o r K c = 0 1 , o t h e r w i s e ]]>
S 2 = 0 , K x = 0 o r K y = 0 o r K z = 0 1 , o t h e r w i s e ]]>
其中，S1为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S2为是否应切除绕组x、y、z
这一套绕组的表示值，其值为0表示应该切除，为1表示不切除。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明提供了一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统，其采用的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，采用的是电枢绕组集中式隔齿绕制方式，
而转子采用的转子外径离心度为10mm的永磁体磁钢离心结构，双绕组永磁容错电机具有磁
隔离、物理隔离、热隔离、大电抗、齿槽转矩脉动小、高过载能力的特点，同时在故障条件
下将不会存在单边磁拉力。
2.双绕组永磁容错电机垂直提升系统的驱动系统采用了两套三相全桥驱动电路，相比H
桥驱动电路，该系统不仅可以降低主功率管的数量，降低系统成本，而且可提高系统的可靠
性、功率密度和制动性能；同时还具有两套制动电路，能实现索降工况稳定运行。
3.双绕组永磁容错电机垂直提升系统的控制方法通过对系统的提升工况和索降工况分
别建立数学模型，再根据建立的模型以及采集到的和给定的电机信号，分别经过速度控制器、
电流控制器、电压控制器、制动单元、SVPWM和逆变器来实现对电机两种工况的控制，同
时增加了开路故障诊断与余度通信功能，能对系统是否存在绕组开路故障进行诊断与处理。
本发明简单易行，具有高可靠性、高功率密度和强容错性，能够很好地实现系统提升和
索降工况双向控制，且能实现对系统开路故障的容错控制，适合于高可靠性及高性能要求的
航空航天及军用场合。
附图说明
图1为双绕组永磁容错电机垂直提升系统的拓扑结构；
图2为双绕组永磁容错电机结构图；
图3为双绕组永磁容错电机驱动垂直提升系统的控制框图。
图中，1-定子，2-转子，3-永磁体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明公开了一种双绕组永磁容错电机垂直提升系统，它包含第一至第二
整流电路、第一至第二制动电路、第一至第二三相全桥驱动电路、双绕组永磁容错电机、减
速器、卷盘、铜丝绳和负载机构；
所述第一整流电路、第一制动电路、第一三相全桥驱动电路依次相连；
所述第二整流电路、第二制动电路、第二三相全桥驱动电路依次相连；
第一三相全桥驱动电路、第二三相全桥驱动电路均和双绕组永磁容错电机相连；
双绕组永磁容错电机的输出端通过减速器和所述卷盘的转轴相连，所述铜丝绳一端和卷
盘相连，另一端和负载机构相连。
系统无论是工作在提升工况还是索降工况出现故障时，其额定载都能被任意一套正常余
度系统提供，保证系统正常工作。图1中，T1、R1为绕组a、b、c的制动电路，T2、R2为绕
组x、y、z的制动电路。
如图2所示，是本发明所述的双绕组永磁容错电机。它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；而转子采用的
转子外径离心度为10mm的永磁体磁钢离心结构，双绕组永磁容错电机具有磁隔离、物理隔
离、热隔离、大电抗、齿槽转矩脉动小、高过载能力的特点，同时在故障条件下将不会存在
单边磁拉力，图2中，o和Rn分别为转子磁钢内弧的圆心和半径；o′和Rw分别为转子磁钢
外弧的圆心和半径；h为转子磁钢外径的离心度，是转子磁钢内弧圆心到转子磁钢外弧圆心
的距离。
所述第一三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；所
述第二三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。
如图3所示，是本发明所述的双绕组永磁容错电机垂直提升系统的控制方法的具体实施
方式，其具体实施步骤为：
步骤1)，通过霍尔传感器采集双绕组永磁容错电机两套绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、
z)中各自的电流ia、ib、ic和ix、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id1、iq1和id2、iq2；
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ωr；
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、z的电压和磁链方程为：
V a b c = R s ′ i a b c + pψ a b c V x y z = R s ′ i x y z + pψ x y z ψ a b c = L 11 ′ i a b c + ψ f a b c ψ x y z = L 22 ′ i x y z + ψ f x y z ]]>
其中，Vabc＝[VaVbVc]T和ψabc＝[ψaψbψc]T分别为绕组a、b、c的相电压和定子磁链,р为
微分算子，iabc＝[iaibic]T为绕组a、b、c的相电流，R’s＝diag[RsRsRs]T为定子电阻，Vxyz＝[VxVy
Vz]T为绕组x、y、z的相电压，ψxyz＝[ψxψyψz]T为绕组x、y、z的定子磁链，ixyz＝[ixiyiz]T为绕
组x、y、z的相电流，L’11、L’22分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的定子电感，ψfabc、ψfxyz
分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；
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：
U d 1 = R s i d 1 + pψ d 1 - ω e ψ q 1 U q 1 = R s i q 1 + pψ q 1 + ω e ψ d 1 ψ d 1 = L d 11 i d 1 + ψ f ψ q 1 = L q 11 i q 1 ]]>
U d 2 = R s i d 2 + pψ d 2 - ω e ψ q 2 U q 2 = R s i q 2 + pψ q 2 + ω e ψ d 2 ψ d 2 = L d 22 i d 2 + ψ f ψ q 2 = L q 22 i q 2 ]]>
其中，ωe为转子电角速度，ωe＝Pnωr，ωr为转子机械角速度，Pn为电机极对数，Ud1、
Uq1分别为绕组a、b、c的d-q轴电压，Ud2、Uq2分别为绕组x、y、z的d-q轴电压，Rs为定
子电阻，р为微分算子，Ld11、Lq11分别为绕组a、b、c的d-q轴电感，Ld22、Lq22分别为绕
组x、y、z的d-q轴电感,ψd1、ψq1和ψd2、ψq2分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的d-q轴
定子磁链，ψf为永磁体磁链；
步骤4)，当双绕组永磁容错电机垂直提升系统运行在提升工况时，电机处于电动运行状
态，提供提升动力，通过减速器降低电机输出转速增加输出力矩，再经卷盘和铜丝绳提升大
载荷负载，其绕组a、b、c和绕组x、y、z的电磁转矩Te1和Te2方程为：
T e 1 = 3 2 P n [ ψ f i q 1 + ( L d 11 - L q 11 ) i d 1 i q 1 ] ]]>
T e 2 = 3 2 P n [ ψ f i q 2 + ( L d 22 - L q 22 ) i d 2 i q 2 ] ]]>
由于容错电机永磁体为表贴式，Ld11≈Lq11，Ld22≈Lq22，电机的总电磁转矩Te化简为：
T e - T e 1 + T e 2 = 3 2 P n ψ f ( i q 1 + i q 2 ) ]]>
系统运行在提升工况时的运动方程为：
T e - T L - Bω r = J dω r d t ]]>
其中，TL为负载转矩，单位Nm；J为电机转动惯量，单位kg·m2；B为粘滞摩擦系数；
步骤5)，当双绕组永磁容错电机垂直提升系统运行在索降工况时，电机处于能耗制动运
行状态，电机提供制动力，保证负载匀速下降，系统在索降工况时的运动方程为：
T ω - T e - Bω r = J dω r d t ]]>
其中，Tω为外部索降转矩，Te为电机的总电磁转矩，单位Nm；J为电机转动惯量，单
位kg·m2；B为粘滞摩擦系数；
步骤6)，由于索降过程中，会产生泵升电压，其系统的制动电路将进行工作，若要使系
统正常而又稳定工作，需保证能量守恒，将索降过程产生的多余的电能转化为热能消耗掉，
其电能Wf和热能WR表达式为：
W f = 1 2 CU d c 2 W R = U d c 2 R L · D ]]>
其中，Udc为母线电压，RL为制动电路上的制动电阻(R1或R2)，C为母线两端的电解电容，
其制动电路占空比D的设置规律表达式为：
D = 0 , ( U d c ≤ U d c * ) K p ( U d c - U d c * ) , ( U d c > U d c * ) ]]>
其中，Kp为比例调节系数，Udc*为给定的母线制动电压阀值；
对于其制动电路控制模型，当Udc>Udc*时，根据能量守恒定理，把多余的电能转化为制
动电阻的热能消耗掉，得其制动电路控制模型为：
1 2 C ( U d c - U d c * ) 2 = U d c 2 R L · D ]]>
步骤7)，通过对开路故障诊断与余度通信功能，对控制系统是否存在开路故障进行诊断
与处理，根据开路故障诊断方法，如果诊断出发生开路故障，则切除故障态的一套绕组(绕
组a、b、c或绕组x、y、z)，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加
正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，
其中所述的开路故障诊断方法的具体步骤为：
步骤7.1)，将采集到的电流ia、ib、ic、ix、iy、iz分别代入各相电流诊断方程处理得到各
相的电流诊断值其各相电流诊断方程为：
I g det e c t = 1 nT s ∫ t 1 t 2 | i g | d t ]]>
其中，t2-t1＝nTs，Ts为采样周期，n为经历的采样周期个数，g＝a,b,c,x,y,z；
步骤7.2)，将处理得到的各相电流诊断值，代入开路故障诊断方程处理得到各相绕组是否
出现开路的表示值，其开路故障诊断方程为：
K g = 0 , I g det e c t = 0 a n d ω r ≠ 0 1 , o t h e r w i s e ]]>
其中，Kg为各相绕组是否出现开路的表示值，其值为0表示出现开路，为1表示正常；
步骤7.3)，根据处理得到的各相绕组是否出现开路的表示值，代入开路故障处理方程得到
开路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其开路故障处理方程为：
S 1 = 0 , K a = 0 o r K b = 0 o r K c = 0 1 , o t h e r w i s e ]]>
S 2 = 0 , K x = 0 o r K y = 0 o r K z = 0 1 , o t h e r w i s e ]]>
其中，S1为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S2为是否应切除绕组x、y、z
这一套绕组的表示值，其值为0表示应该切除，为1表示不切除；
步骤8)，采用基于转速、电流、电压双向控制(电动制动)的热备份余度容错控制策略，
在提升工况中，双绕组容错电机通过速度控制器进行速度控制，通过电流控制器进行力矩控
制；而在索降工况中由于有泵升电压将在提升工况控制的基础上再通过电压控制器和制动单
元同时对电压进行控制，从而实现负载匀速下降；当系统正常时，电机两套绕组各自对应的
余度同时工作，每套绕组各自输出50％的功率；当系统的某一套绕组发生故障时，通过开路
故障诊断方法进行诊断，首先将诊断出发生故障的一套绕组从系统中切除，其次利用余度通
信功能将该故障信号传递到正常的一套绕组中，进而改变正常的一套绕组的控制状态，增加
其输出功率，使其输出100％的功率，进而保证系统输出功率不变，实现容错控制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术
语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理
解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一
致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说
明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在
本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。