摘要：载人电动直升机选用高效永磁同步电机(PMSM)为飞机提供动力，并采用PMSM矢量控制系统。PMSM位置传感器易发生故障，导致控制系统失效。滑模变结构控制技术是电动直升机运行的关键技术。针对传统线性化法、基于转塔半经验公式进行分析，设计了Manda/km系统变频器参数辨识方法(PWR)来实现对电机体积压缩后旋翼偏航差稳态的有效抑制，利用直升机模型，采用非线性模糊推理理论建立了状态估计及隶属度函数，并给出相应的控制策略。研究采用电流误差法建立滑模观测器的数学模型并建立位置传感器故障的数学模型。通过对比电机转子位置估计值与实际值数据实现对位置传感器的故障诊断。故障时，系统将自动采用滑膜观测器转子位置和速度的估计值信号，保证电机的闭环控制。MATLAB仿真结果表明：所设计的基于滑膜观测器的冗余控制方案能够正确估计转子的位置和速度信息，确保电推进系统的稳定运行。

　　关键词：载人电动直升机；永磁同步电机；滑膜观测器；冗余控制

　　0引言

　　随着经济的发展，越来越多的直升机已经成为现代社会不可或缺和不可缺少重要组成部分，而在这些直升机中最主要的参数是电机动力矩[1]。但是其动力矩参数较高且速度变化范围较大，会引起整个系统处于超调量状态[2]。因此需要研究一种响应较慢、动态特性强并且能够有效控制变频器的方法来改善整个系统的性能以及稳定性，从而提高整体飞行水平和安全系数以满足社会需求及工业要求。这是未来直升机发展趋势之一[3]。直升机在直线飞行的时候，由于动力矩参数较高，通常会采用变频调速技术来提高整个系统的控制性能[4]。但是随着现代社会对速度要求不断提升，传统方法已经不能满足当今时代高速、高效、安全等需求，所以需要利用多变量控制策略将线性或非线性两种状态转化为理想状态或期望值情况下可以实现快速响应且稳定可靠的闭环调节器以改善其低速特性以及动态过程中存在的问题[5]。随着飞机和电推进技术的发展，以及人们对交通工具低碳环保、高效节能方面的迫切需求，全电动飞机逐渐成为航空界发展重要组成部分[6-7]。载人电动直升机作为电动飞机的一种，使用电力代替传统的内燃机，绿色环保，高效低耗，并且近乎做到零排放，污染低。对机组成员来说飞机振动小，发出的噪声低[8-9]。永磁同步电机相较于传统电机在可靠性，结构的可塑性以及运行效率等方面具有明显优势，在电动直升机上得到了广泛应用。

　　目前，在直升机研究方面，国内外学者对其动力模型进行了大量分析，并取得了一定成果[1,10-19]。(1)基于力学系统建模方法。主要根据不同旋翼反推力方向、垂向加速度等传递函数建立相应数学方程来描述直升机在不同时刻的受力情况及状态变化过程中所存在的最大静偏角大小与位置关系；针对滑模变余设计的“六度分离”算法和传统矢量法，采用了一种简化后能稳定实现两相旋转问题模型，并实现了在不同时刻的状态变化，从而简化系统参数估计。(2)基于变余设计方法。主要通过改进和优化滑模变余设计模型来解决直升机不同位置、姿态下的动态响应特性，针对多旋翼飞行器中随垂直方向偏移量大而使转矩下降较大问题，采用“四度分离”算法求解两相旋转中心处偏航角最大静力平衡点附近的动过规划状态时，通过改变变余设计模型中的转矩系数来抑制静偏角在不同时刻最大动过规划状态时出现的动态响应特性，针对多旋翼飞行器运动学特征进行了改进，采用Mechanical trobat湍流动力理论对其进行描述。通过建立数学模型的方法来实现对直升机在不同位置、姿态下动态响应特性研究，以仿真结果为基础，进行变余设计，达到了较好的控制效果。

　　本文针对位置传感器故障对直升机电推进系统的可靠性构成重大威胁的问题，提出了一种基于滑膜观测器的位置传感器冗余控制方案。设计了Manda/km系统变频器参数辨识方法(PWR)来实现对电机体积压缩后旋翼偏航差稳态的有效抑制，给出相应的控制策略，通过对比电机转子位置估计值与实际值数据实现对位置传感器的故障诊断，并在故障时切换到无传感器控制方案，确保电机控制系统的稳定运行。最后采用MATLAB验证所提冗余控制方案的正确性。

　　1数学模型的建立

　　1.1位置传感器故障模型

　　电动直升机总要面临极端天气带来的恶劣工作环境。因此，电机传感器极易发生各种故障。同时，矢量控制对转子位置信息获取的要求十分严格。对此，为了求出转子位置信号，必须确保对定子电流进行精确计算的优秀的控制算法[10]。

　　假设位置传感器在t0时刻发生故障。建立位置传感器的卡死故障和偏移故障的数学模型为：

　　式中：y(t)为位置传感器输出值；yt为位置传感器正常输出值；α为卡死故障位置传感器输出值；β为转子偏移值。

　　1.2位置传感器故障诊断

　　首先设定转子位置阈值δθ和速度阈值δω。故障诊断模块首先接收滑模观测器的转子位置、估计值θ者e、转速估计值ω者e、位置传感器检测的转子位置θe、转速值ωe，接下来分别将对应的估计值和检测值做差，并将得到的

　　差值与设定的阈值进行比较，以此实现故障诊断。

　　1.3滑膜观测器模型

　　针对位置传感器故障，通过设计滑模观测器对定子电压电流进行信息监测，重构获取转子位置信息。为上文的故障诊断提供条件并实现位置传感器故障后对电机的控制。

　　首先进行永磁电机坐标变换。

　　(1)Clark变换：

　　2系统仿真测试与结果分析

　　2.1电机参数

　　在满足电动直升机飞行的前提条件下，使用MAT⁃LAB/Simulink搭建仿真模型对某载人电动直升机永磁电机冗余控制系统进行，以验证设计的冗余控制方案的准确性。

　　2.2系统仿真

　　系统仿真时间设为4 s，电机转速设定3 200 r/min，在2 s时给电机加上400 N·m的负载。位置传感器和滑模观测器输出的转子位置和转速波形[14]。

　　传感器偏移故障仿真。设置转子角度阈值δθ=5π/36。位置传感器在3 s发生偏移故障，仿真中设置偏移角度为π/6，而观测器的输出值仍正确跟随转子位置。

　　位置传感器发生偏移故障时，冗余控制仿真波形。3 s时传感器发生偏移故障，此时系统采用滑膜观测器的估计值对电机进行控制。

　　设置转子速度阈值δω=60 r/min，位置传感器在3 s发生卡死故障。仿真发现，传感器检测的转子角度为定值且转速归0，而观测器仍能正确估计转子的位置和速度[15]。

　　位置传感器卡死故障时，冗余控制仿真波形[16]。在3 s时发生位置传感器卡死故障，发现系统改为采用滑膜观测器的估计值冗余控制。

　　仿真结果表明：设计的以滑膜观测器为基础的冗余控制能准确识别电机传感器发生的偏移与卡死故障并切换到无传感器控制方案，确保电机控制系统的稳定运行。

　　该系统是基于多输入、时变和非线性控制理论，通过对直升机的状态信息进行采集并反馈，实现了在不损失任何冗余变量下达到最优。(1)递阶自适应滑模控制器。它可以使在坐标系中的控制系统从一个坐标到另一个虚拟位置得到其输出值与期望数值之间具有最小相位差，同时也能保持系统内输入响应信号是由理想正弦函数和实际周期提供的最大输出方波，从而实现了对控制对象动态性地监视与调节过程。(2)递阶自适应滑模控制器。它是一种可以使控制系统在收到信号时能够保持输出的状态，并保证系统内输入响应函数值变化率最小。它是通过控制逆变器的输出电压和电流，从而实现负载功率变化率最小化，并保持系统内输入响应信号与期望值之间具有最大相位差、减小波形误差等功能。

　　3结束语

　　本文针对位置传感器故障对直升机电推进系统的可靠性构成重大威胁的问题，对传统偏置动力学模型中存在着一些不理想的因素，偏移因子及噪声的影响使得研究对象无法达到精确调速效果，针对这些因素展开了对传统偏置动力学模型的优化，提出了一种基于滑膜观测器的位置传感器冗余控制方案。采用MATLAB对提出的冗余控制方案进行验证。仿真结果表明：本文所设计的冗余控制方案能够在位置传感器发生偏移和卡死故障时正确地切换到基于滑膜观测器的无位置传感器控制方案，提高了直升机电推进系统的可靠性。

　　参考文献：

　　[1]AMIR S.GOHARDANI,GEORGIOS DOULGERIS,RITI SINGH.Challenges of future aircraft propulsion:a review of distributed propulsion technology and its potential application for the all electric commercial aircraft[J].Progress in Aerospace Sciences,2011,47(5):369-391.

　　[2]赵洪,李建波,刘铖.电动直升机概念设计与分析[J].电工技术学报,2017(7):34-42.

　　[3]高巧玲.兆瓦级高压电励磁同步电机无速度传感器矢量控制应用研究[J].电子测量技术,2018,41(10):97.

　　[4]徐殿国,李彬彬,周少泽.模块化多电平高压变频技术研究综述[J].电工技术学报,2017,32(20):104.

　　[5]聂资,陈铭.电动直升机飞行性能计算和分析[J].北京航空航天大学学报,2012,38(9):1139-1143.

　　[6]李勇,吴佳鑫,马鹏程,等.飞行器用永磁电机系统的功率密度与需求展望[J].电机与控制学报,2022,26(2):1-9.

　　[7]殷严刚.一种混合式系留无人机高度伺服系统控制方法研究[J].广西物理,2021,42(3):7-12.

　　[8]袁潇,杨泽斌,徐雷钧.基于改进型滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制策略[J].微特电机,2022,50(7):47-52.

　　[9]李庆,王彦.基于增益自适应滑模观测的PMSM无传感器控制[J].机电工程技术,2022,51(5):64-69.

　　[10]李猛,徐龙宇,陈勇,等.一种基于二阶超螺旋滑模的多通道直流电机系统控制方法:CN201910893153.6[P].2021.

　　[11]屈海军,杨森.基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究[J].机床与液压,2021,49(5):5.

　　[12]孙严,卜泳,杜兆才,等.基于6-PUS并联机构的直升机升力部件装配控制系统设计[J].装备制造技术,2021(11):43-49.

　　[13]段巍,卜泳,陈龙,等.直升机升力系统关键部件装配集成控制技术研究[J].装备制造技术,2022(2):40-43.

　　[14]宫海涛,徐驰,郑如霞,等.基于新型趋近律的永磁直线同步电动机全局滑模控制[J].微特电机,2021,49(11):6.

　　[15]葛晨阳,孙新程,闫天一,等.基于最大转矩电流比的永磁同步电机自适应滑模控制[J].机电信息,2021(11):1-4.

　　[16]金爱娟,王硕勋,李少龙,等.基于改进超螺旋算法的永磁同步电动机控制[J].包装工程,2022,43(19):198-207.

　　[17]张伟,陈劲舟,谢泽锋,等.直升机直线式电动直驱尾桨机构总成及直升机:CN109502011A[P].2021.

　　[18]李晨毓,祖家奎,刘佳晖,等.中型无人直升机电动舵机控制器设计与实现[J].机械与电子,2021,39(10):57-62.

　　[19]建志旭,唐兴中,陈国军,等.直升机电动尾桨技术发展与展望[J].直升机技术,2021(3):58-64.