CN114408191A - 一种电动飞行器的动力电气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动飞行器的动力电气系统，包括飞行控制器、螺旋桨、电机、电机控制器和电源；飞行控制器与电机控制器连接，电源与电机控制器和飞行控制器连接，电机控制器与电机连接，电机与螺旋桨连接；电源用于为电机控制器和飞行控制器提供能量输入；电机控制器，用于对电源输入的能量进行能量转换，通过转换后的能量控制并驱动电机运转；电机用于驱动螺旋桨转动为飞行器提供动力；飞行控制器，用于监测电机控制器的工作状态。本发明提供一种电动飞行器的动力电气系统，具有冗余的电机、电机控制器、电源设计，具有容错的能力，当飞行器出现单点失效的时候，系统的特性能保证剩余的设备仍能提供飞行器平稳安全的飞行能力。

Description

一种电动飞行器的动力电气系统
技术领域
本发明涉及电动航空领域，特别涉及一种电动飞行器的动力电气系统。
背景技术
电动飞行器是新兴的技术领域，之前的航空器以燃油系统为主，对电动系统的方案比较少。载人电动飞行器出于对安全性和法规的考虑，需要对机载设备做多裕度设计，动力电气系统属于机载设备，因此也需要做安全性设计。近两年有一些国外的公司在电动飞行器领域有一些技术成果，现有的方案主要体现了马达和电池的冗余，该方案并未满足对飞行器稳定性的设计要求。目前亟需一种兼顾飞行器安全性和稳定性的动力电气系统架构。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电动飞行器的动力电气系统，包括飞行控制器、螺旋桨、电机、电机控制器和电源；飞行控制器与电机控制器连接，电源与电机控制器和飞行控制器连接，电机控制器与电机连接，电机与螺旋桨连接；电源用于为电机控制器和飞行控制器提供能量输入；电机控制器，用于对电源输入的能量进行能量转换，通过转换后的能量控制并驱动电机运转；电机用于驱动螺旋桨转动为飞行器提供动力；飞行控制器，用于监测电机控制器的工作状态。
优选的，动力电气系统，还包括电源管理器，所述电源管理器与电源连接，用于监控电源的工作状态；所述飞行控制器与电源管理器连接，还用于通过电源管理器监测电源的工作状态。
具体的，动力电气系统，包括1个飞行控制器、6个螺旋桨、6个电机，6组电机控制器和3个电源；每个电机对应控制1个螺旋桨；每个电机对应配置1组电机控制器；根据电动飞行器的纵轴线将螺旋桨分为两组分别为第一组电机和第二组电机；电源通过电机控制器为第一组电机中的任意2个电机供能；电源通过电机控制器为第二组电机中任意2个电机供能。
具体的，6个电机中在电动飞行器的机翼撑杆前部两侧对称位置设置一组电机M1和M2；在电动飞行器的两个翼端处对称位置设置一组电机M3和M4，在电动飞行器的两个尾翼处对称位置设置一组电机M5和M6。
具体的，6组电机控制器分别为MC11和MC12、MC21和MC22、MC31和MC32、MC41和MC42、MC51和MC52、MC61和MC62；电机M1对应配置一组电机控制器MC11和MC12，电机M2对应配置一组电机MC21和MC22；电机M3对应配置一组电机控制器MC31和MC32，电机M4对应配置一组电机MC41和MC42；电机M5对应配置一组电机控制器MC51和MC52，电机M6对应配置一组电机MC61和MC62；6组电机控制器均与飞机控制器连接；
可选的，3个电源为B1、B2、B3；其中电源B1与电机控制器MC11、MC31、MC41、MC61连接，电源B2与电机控制器MC22、MC32、MC42、MC52连接，电源B3与电机控制器MC12、MC21、MC51、MC62连接。
可选的，3个电源为B1、B2、B3；其中电源B1与电机控制器MC31、MC51、MC21、MC41连接，电源B2与电机控制器MC12、MC32、MC42、MC62连接，电源B3与电机控制器MC11、MC22、MC52、MC61连接。
当飞行控制器识别到电机故障时，将与故障电机所对称设置的电机作为当前电机，通过控制电机控制器使得当前电机降低输出功率；根据飞行状态实时调整其余电机的功率。
当飞行控制器识别到电机控制器故障时，将故障电机控制器对应的电机作为当前电机，通过控制当前电机的另一个电机控制器使得与其对应的电源为当前电机提供能量补偿，补偿此情形下电机驱动的功率需求。
当飞行控制器识别到电源故障时，将由故障电源进行供能的电机作为当前电机，通过控制电机控制器使得剩余正常电源为当前电机提供能量补偿，补偿此情形下电机驱动的功率需求。
本发明提供一种电动飞行器的动力电气系统，具有冗余的电机、电机控制器、电源设计，具有互相备份、动力对称和滚转方向对称的特点。具有容错的能力，当飞行器出现单点失效的时候，系统的特性能保证剩余的设备仍能提供飞行器平稳安全的飞行能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为本实施例提供的一种电动飞行器的动力电气系统的方框图；
图2为本实施例提供的一种电动飞行器的动力电气系统的示意图；
图3为本实施例提供的一种电动飞行器的动力电气系统连接方式的示意图；
图4为本实施例提供的一种电动飞行器的动力电气系统连接方式的连接示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种电动飞行器的动力电气系统，如图1所述，包括：飞行控制器、螺旋桨、电机、电机控制器和电源；电源与电机控制器和飞行控制器连接，电机控制器与电机连接，电机与螺旋桨连接；电源用于为电机控制器提供能量输入，电机控制器，用于对电源输入的能量进行能量转换，通过转换后的能量控制并驱动电机运转；更进一步的，电机控制器，用于将电源输入的直流电转换为交流电，通过转换后的交流电控制并驱动电机运转；电机用于驱动螺旋桨转动为飞行器提供动力。飞行控制器，用于监测电机控制器的工作状态；具体的，飞行控制器与电机控制器连接，实现实时通信功能；飞行控制器向电机控制器发送控制指令，使得电机控制器根据指令要求控制电机运转，进而保证电动飞行器正常飞行；电机控制器向飞行控制器反馈工作状态参数；工作状态参数中包括故障信息；
优选的，动力电气系统还包括电源管理器，电源管理器与电源连接，用于监控电源的工作状态；相应的，飞行控制器，还用于通过电源管理器监测电源的工作状态；飞行控制器与电源管理器连接；实现实时通信功能；
本实施例提供一种电动飞行器动力电气系统，如图2所示，包括1个飞行控制器、6个螺旋桨、6个电机，6组电机控制器和3个电源；每个电机对应控制一个螺旋桨；每个电机对应配置一组电机控制器；根据电动飞行器的纵轴线将螺旋桨分为两组分别为第一组电机和第二组电机；电源通过电机控制器为第一组电机中的任意2个电机供能；电源通过电机控制器为第二组电机中任意2个电机供能。
详细的，在电动飞行器的机翼撑杆前部两侧对称位置设置一组电机M1和M2；在电动飞行器的两个翼端处对称位置设置一组电机M3和M4，在电动飞行器的两个尾翼处对称位置设置一组电机M5和M6；6组电机控制器分别为MC11和MC12、MC21和MC22、MC31和MC32、MC41和MC42、MC51和MC52、MC61和MC62；电机M1对应配置一组电机控制器MC11和MC12，电机M2对应配置一组电机MC21和MC22；电机M3对应配置一组电机控制器MC31和MC32，电机M4对应配置一组电机MC41和MC42；电机M5对应配置一组电机控制器MC51和MC52，电机M6对应配置一组电机MC61和MC62；6组电机控制器均与飞机控制器连接；
3个电源为B1、B2、B3；电源通过电机控制器为第一组电机M1、M3、M5中的任意2个电机供能；电源通过电机控制器为第二组电机M2、M4、M6中任意2个电机供能；例如，电源B1通过MC11或MC12为电机M1供能，通过MC31或MC32为电机M3供能，通过MC41或MC42为电机M4供能，通过MC61或MC62为电机M6供能；
以下提供一种具体连接方式：如图3所示，其中电源B1与电机控制器MC11、MC31、MC41、MC61连接，电源B2与电机控制器MC22、MC32、MC42、MC52连接，电源B3与电机控制器MC12、MC21、MC51、MC62连接。
以下提供一种具体连接方式：如图4所示，其中电源B1与电机控制器MC31、MC51、MC21、MC41连接，电源B2与电机控制器MC12、MC32、MC42、MC62连接，电源B3与电机控制器MC11、MC22、MC52、MC61连接。
优选的，动力电气系统还包括3个电源管理器，每个电源对应连接一个电源管理器，电源管理器与飞行控制器连接；
飞行控制器FC也是多裕度的，具备硬件的冗余性，保证在单个飞行控制器失效的情况下，另一台飞行控制器仍能提供对设备的控制。
本发明所述动力电气系统中可能出现的故障为：电机故障；电机控制器故障；电源故障。
以以下连接方式为例，当出现故障时，飞行控制器的控制方法；
电源B1与电机控制器MC11、MC31、MC41、MC61连接，电源B2与电机控制器MC22、MC32、MC42、MC52连接，电源B3与电机控制器MC12、MC21、MC51、MC62连接。
当飞行控制器识别到电机故障时，将与故障电机所对称设置的电机作为当前电机，通过控制电机控制器使得当前电机降低输出功率；根据飞行状态实时调整其余电机的功率；
具体的，当飞行器识别到电机M3故障时,通过控制MC41和MC42降低电机M4的功率，同时会根据不同的飞行阶段的工况需求适当调整M1、M2、M5、M6的功率，以确保飞行器在滚转和俯仰方向上的稳定。此时由于电源B1、B2、B3的对称性，可以确保三者的输出功率接近。
当飞行控制器识别到电机控制器故障时，将故障电机控制器对应的电机作为当前电机，通过控制当前电机的另一个电机控制器使得与其对应的电源为当前电机提供能量补偿，补偿此情形下电机驱动的功率需求。
需要说明的是，当其中一个电机控制器故障时，此时由于每个电机有两个独立地电机控制器，剩余的电机控制器会继续驱动电机运转，剩余的电机控制器会继续驱动电机运转，而对应的电源会为该电机控制器提供能量补偿以满足此情形下电机驱动的功率需求。
当飞行控制器识别到电源故障时，将由故障电源进行供能的电机作为当前电机，通过控制电机控制器使得剩余正常电源为当前电机提供能量补偿，补偿此情形下电机驱动的功率需求。
当电源B1故障时，电源B1连接的4个电机M1、M3、M4、M6的功率会降低，通过控制电机控制器MC32和MC42使得电源B2为电机M3和M4提供能量补偿；通过控制电机控制器MC12和MC62使得电源B3向电机M1和M6提供能量补偿，从而确保了维持飞行器姿态的稳定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电动飞行器的动力电气系统，其特征在于，包括飞行控制器、螺旋桨、电机、电机控制器和电源；飞行控制器与电机控制器连接，电源与电机控制器和飞行控制器连接，电机控制器与电机连接，电机与螺旋桨连接；电源用于为电机控制器和飞行控制器提供能量输入；电机控制器，用于对电源输入的能量进行能量转换，通过转换后的能量控制并驱动电机运转；电机用于驱动螺旋桨转动为飞行器提供动力；飞行控制器，用于监测电机控制器的工作状态。
2.如权利要求1所述的动力电气系统，其特征在于，还包括电源管理器，所述电源管理器与电源连接，用于监控电源的工作状态；所述飞行控制器与电源管理器连接，还用于通过电源管理器监测电源的工作状态。
3.如权利要求1所述的动力电气系统，其特征在于，包括1个飞行控制器、6个螺旋桨、6个电机，6组电机控制器和3个电源；每个电机对应控制1个螺旋桨；每个电机对应配置1组电机控制器；根据电动飞行器的纵轴线将螺旋桨分为两组分别为第一组电机和第二组电机；电源通过电机控制器为第一组电机中的任意2个电机供能；电源通过电机控制器为第二组电机中任意2个电机供能。
4.如权利要求3所述的动力电气系统，其特征在于，所述6个电机中在电动飞行器的机翼撑杆前部两侧对称位置设置一组电机M1和M2；在电动飞行器的两个翼端处对称位置设置一组电机M3和M4，在电动飞行器的两个尾翼处对称位置设置一组电机M5和M6。
5.如权利要求4所述的动力电气系统，其特征在于，6组电机控制器分别为MC11和MC12、MC21和MC22、MC31和MC32、MC41和MC42、MC51和MC52、MC61和MC62；电机M1对应配置一组电机控制器MC11和MC12，电机M2对应配置一组电机MC21和MC22；电机M3对应配置一组电机控制器MC31和MC32，电机M4对应配置一组电机MC41和MC42；电机M5对应配置一组电机控制器MC51和MC52，电机M6对应配置一组电机MC61和MC62；6组电机控制器均与飞机控制器连接。
6.如权利要求5所述的动力电气系统，其特征在于，3个电源为B1、B2、B3；其中电源B1与电机控制器MC11、MC31、MC41、MC61连接，电源B2与电机控制器MC22、MC32、MC42、MC52连接，电源B3与电机控制器MC12、MC21、MC51、MC62连接。
7.如权利要求5所述的动力电气系统，其特征在于，3个电源为B1、B2、B3；其中电源B1与电机控制器MC31、MC51、MC21、MC41连接，电源B2与电机控制器MC12、MC32、MC42、MC62连接，电源B3与电机控制器MC11、MC22、MC52、MC61连接。
8.如权利要求3所述的动力电气系统，其特征在于，当飞行控制器识别到电机故障时，将与故障电机所对称设置的电机作为当前电机，通过控制电机控制器使得当前电机降低输出功率；根据飞行状态实时调整其余电机的功率。
9.如权利要求3所述的动力电气系统，其特征在于，当飞行控制器识别到电机控制器故障时，将故障电机控制器对应的电机作为当前电机，通过控制当前电机的另一个电机控制器使得与其对应的电源为当前电机提供能量补偿，补偿此情形下电机驱动的功率需求。
10.如权利要求3所述的动力电气系统，其特征在于，当飞行控制器识别到电源故障时，将由故障电源进行供能的电机作为当前电机，通过控制电机控制器使得剩余正常电源为当前电机提供能量补偿，补偿此情形下电机驱动的功率需求。
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