一种航空用高功率密度电机控制系统仿真分析

引言

随着飞机性能的日益提高,机载设备的类型和数量不断增加,给飞机能量管理带来了巨大的挑战。为应对飞机能量管理的问题,航空领域提出了多电飞机的技术理念。

多电飞机是指二次能源系统尽可能用电能取代原来的液压、气压和机械能的飞机,即次级功率系统基本用电能的形式分配,包括多电发动机技术、大容量高压电源系统技术、先进配电技术、功率电传技术、电力作动技术、全电刹车技术、电环控系统/防除冰系统等。以F-35战斗机为代表的军用飞机和以波音B787、空客A380等为代表的民用飞机已经投入使用,代表多电飞机技术已正式进入应用阶段。文献对多电飞机电气系统体系结构进行了较为全面的论述,包含机载电源技术、配电技术、自动配电系统、负载智能管理等关键技术。文献则对机载270V高压直流系统的安全性分析方法进行了深入研究,采用故障树方法对270V高压直流系统的安全性进行了评估。

作为多电飞机技术的重要支撑,机电系统未来将大规模采用大功率电驱动技术,因而其已成为当前的研究热点。本文以多电直升机为技术背景,搭建了一种航空用高功率密度电机控制系统仿真模型,结合直升机尾奖驱动应用场景,进行了全面的仿真分析,结果表明,大功率电驱动技术能够满足直升机驱动需求。

1高功率密度电机控制系统建模

航空领域对机载设备重量要求极为严苛,对于驱动设备来讲,在一定的重量约束条件下应能够实现尽可能大的功率输出,即实现高功重比指标。为满足直升机驱动领域的相关技术要求,本文采用永磁同步电机作为研究对象。

三相永磁同步电机(PMSM）是一个强耦合、复杂的非线性系统,为了能够更好地设计先进的PMSM控制算法,建立合适的数学模型就显得尤为重要。本文高功率密度电机及其控制系统仿真采用Matlab软件实现。Matlab软件是一款用于算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算的高级计算预研和交互式环境平台。Matlab软件提供各类专业工具箱的Simulink仿真环境,常用的包括控制系统工具箱、电气系统工具箱、通信与信号处理工具箱、物理仿真系统工具箱等,并提供图形化的仿真与建模环境,适用于构建物理及各种专业系统仿真模型的研究工作。

如图1所示,本文构建了一种高功率密度电机控制系统仿真模型,主要包括操纵信号(输入控制信号）、控制系统(PI控制器、PwM信号发生器等）、高压直流电源、驱动器、永磁同步电机,仿真参数如表1所示。

2高功率密度电机控制系统仿真结果

直升机尾奖系统通过奖距变化来平衡旋翼产生的扭矩,实现航向操纵,奖距的变化通过改变尾奖的奖距角实现。通常,直升机飞行过程中需要经常调整尾奖系统来实现飞行控制,因此需要尾奖驱动系统有较高的响应速度、较好的转速控制精度、良好的负载响应特性。为实现对高功率密度电机及其控制性能的全面仿真测试,本文进行了响应速度仿真测试、转速控制精度仿真测试、负载响应仿真测试等。

2.1响应速度

直升机尾奖驱动电机应能够跟随控制信号实现电机的快速启动。电机空载启动曲线如图2所示,电机转速略有超调,在0.3s的时间内达到平稳的转速特性。t=0.4s左右的时间,电机加载l0N·m左右的小负载,电机转速输出平稳。

图2驱动电机空载启动曲线

2.2控制精度

直升机尾桨转速较为恒定,要求驱动电机有较好的转速控制精度,并能应对不同程度的负载扰动影响。如图3所示,在t=2s左右,加入21kw或100N·m的负载输入,可以看出,电机在大约0.2s的时间内可以恢复额定速度。在t=4s左右,加入42kw或200N·m输入信号,可以看出,电机也在大约0.2s的时间内即可实现速度的恢复。因此可以看出,本文所提出的电机控制系统能够实现高精度的转速控制,并能有效应对负载扰动的影响。

2.3负载响应

在直升机飞行过程中将进行频繁的操作以满足转向的控制需求,图4所示为直升机尾桨典型操纵信号曲线,由图可见,尾桨操纵信号变化较为剧烈,对尾桨电驱动系统有较高的跟随要求。

图5为驱动电机的控制响应仿真图像,从图中可以看出,电机驱动系统能够很好地跟随控制信号输入。图6则给出了阶跃控制输入下的响应曲线,从图中可以看出,电机在阶跃输入后约l0ms级即可实现速度跟随,满足输出响应要求。

以上结果表明,本文所提出的高功率密度电机及其控制系统能够实现较高的动态响应要求及控制精度要求,能够满足直升机整体的控制需求,且有助于提高直升机整体的操纵性能。

3结语

本文提出了一种高功率密度电机控制系统仿真模型,并结合直升机尾桨驱动应用场景进行了全面的仿真分析,给出了详实的仿真结果。仿真结果表明,本文提出的高功率密度电机及其控制系统响应速度快、转速控制精度高、负载响应跟随性强,能够满足直升机尾桨驱动的技术需要,为直升机大功率电驱动及其他航空驱动技术领域提供了借鉴。