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全电飞机电力电子的实时仿真和测试

作者 Shane O’Donnell, Microsemi


现在的飞机上,液压和气动执行系统正日益被电力系统所取代。主要飞行控制表面的执行机构(如副翼和升降机),以及起落架、刹车系统和燃料输送系统的执行机构,现在都由电力电子驱动。驱动这些执行器的电动机需要小、轻、便宜,还需要可靠地完成5万到15万小时的正常飞行,以及在各种各样的故障条件下可靠运行。

为满足这些需求,Microsemi卓越航空中心正在开发的智能电力解决方案™(IPS)基于电力核心模块(PCM),我们使用了MATLAB®和Simulink®进行设计和测试。基于模型设计使我们能够将设计推向极限,因为我们可以通过在开发过程的早期进行发动机驱动硬件和控制软件的实时可靠性测试,来模拟故障,优化性能,降低风险。

PCM建模及运行闭环仿真

一个完整的电力控制单元包括脉冲宽度调制(PWM)控制、数据转换和通信功能;过滤和保护;三相永磁同步电机(PMSM)驱动;一个控制模块;以及一个监控模块(图一所示)。将电机电流、电机转速和执行器位置输入监控模块,控制模块使用该信息引导PCM加快电机的转速,或使其减速。因为这是一个新的设计,我们必须在没有监控模块或控制模块的工作版本对PCM进行测试的情况下开发它。

图一:一个大型电力控制单元的电力核心模块的架构图

图一:一个大型电力控制单元的电力核心模块的架构图

我们在Simulink中对PCM建模,使用Simscape Power Systems™ 和 Simscape Electronics™ 对三相永磁同步电动机(PMSM)驱动、电子元件、控制和监控模块建模。然后我们进行了闭环仿真,确定系统的电气和机械性能。

接下来,我们使用Simulink Coder™和Simulink Real-Time™(图二所示)将三个模型部署到Speedgoat目标系统中的一片Spartan-6 FPGA中。模块间通过低压差分信号(LVDS)接口进行通信。在一个测试设置中,PCM控制器和其他模块都在目标硬件上进行实时测试。在另一个不同的设置中,我们将控制器部署到产品PCM上的ProASIC3 FPGA上,并通过在目标硬件上执行控制和监视模块功能实施硬件在环测试。我们使用两个测试设置测试了正常的操作。我们还测试了控制器对一些故障条件(包括电机故障)的响应,以执行故障模式、效果和临界分析。

图二:PCM原型控制器在Speedgoat目标系统上的设置

图二:PCM原型控制器在Speedgoat目标系统上的设置

真实环境下的真实飞行剖面测试

为展示真实飞行剖面下的PCM,我们开发了Simulink和Stateflow®模型,将飞行特性转化为对执行系统的电气和机械要求。飞机在飞行过程中经历了飞行滑行、起飞、攀爬、巡航、降落、接近和着陆的典型阶段,举例来说,过程中对副翼执行器的马达电流需求的变化很大。我们使用Simulink和Stateflow中建立的任务和飞行剖面模型运行仿真,这使我们能够准确估算出特定飞机上的副翼和其他部件的电机电流需求(图三所示)。

图三:一个单通道飞机典型飞行任务的电流图

图三:一个单通道飞机典型飞行任务的电流图

我们根据飞行剖面仿真结果生成了特定飞机的电机电流需求,用于我们的可靠性测试。我们使用环境试验箱来改变压力和温度。比如说,波士顿的环境温度在夏天比迪拜低得多,我们的测试必须考虑到这一点。在环境试验箱里,我们可以将系统暴露在温度-55℃,压力小于0.2巴的环境下(该条件常见于海拔39000英尺及以上环境)。代表15万飞行小时的长期可靠性测试过程中需要仔细监测,并对结果彻底分析。我们在MATLAB中进行了这种监测和数据分析。

我们学到了什么

通过全面的建模和仿真,我们证实:装有基于碳化硅(SIC)MOSFETs的马达驱动器的单元工作温度比基于IGBTs的同类单元低约40℃。

目前小而轻的硬件设计中无法进行主动冷却,所以设备运行时的温度管理对于确保它能够可靠地运行15万飞行小时至关重要。仿真还表明,IGBTs的功耗要比SiC MOSFETs(图4)高得多。这些研究告诉我们设计PCM时应该如何抉择;同时也指出,在向全电飞机发展的过程中,SiC MOSFETs是实现更多电传控制的一种可行的技术。

图四:IGBTs 三相桥(上)和SiC MOSFETs三相桥(下)的功耗随着时间的变化。

图四:IGBTs 三相桥(上)和SiC MOSFETs三相桥(下)的功耗随着时间的变化。

Simulink、Simulink Real-Time和Speedgoat的目标硬件使我们能够演示我们早期的具体应用单元设计的可靠性,而不需要将该单元安装在实际的飞机上。在基于模型设计中,我们可以在电力控制单元的一部分被开发出来后,就进行连续的确认和验证。

我们从客户那里得到的反馈是非常积极的。有了实时仿真结果,我们相信我们可以在继续减少单元的大小、重量和成本的同时,满足PCM的可靠性目标。

2016年发布 - 93017v00

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