一種航空用高功率密度電機(jī)控制系統(tǒng)仿真分析

引言

隨著飛機(jī)性能的日益提高,機(jī)載設(shè)備的類型和數(shù)量不斷增加,給飛機(jī)能量管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對飛機(jī)能量管理的問題,航空領(lǐng)域提出了多電飛機(jī)的技術(shù)理念。

多電飛機(jī)是指二次能源系統(tǒng)盡可能用電能取代原來的液壓、氣壓和機(jī)械能的飛機(jī),即次級功率系統(tǒng)基本用電能的形式分配,包括多電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、大容量高壓電源系統(tǒng)技術(shù)、先進(jìn)配電技術(shù)、功率電傳技術(shù)、電力作動(dòng)技術(shù)、全電剎車技術(shù)、電環(huán)控系統(tǒng)/防除冰系統(tǒng)等。以F-35戰(zhàn)斗機(jī)為代表的軍用飛機(jī)和以波音B787、空客A380等為代表的民用飛機(jī)已經(jīng)投入使用,代表多電飛機(jī)技術(shù)已正式進(jìn)入應(yīng)用階段。文獻(xiàn)對多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為全面的論述,包含機(jī)載電源技術(shù)、配電技術(shù)、自動(dòng)配電系統(tǒng)、負(fù)載智能管理等關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)則對機(jī)載270V高壓直流系統(tǒng)的安全性分析方法進(jìn)行了深入研究,采用故障樹方法對270V高壓直流系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了評估。

作為多電飛機(jī)技術(shù)的重要支撐,機(jī)電系統(tǒng)未來將大規(guī)模采用大功率電驅(qū)動(dòng)技術(shù),因而其已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文以多電直升機(jī)為技術(shù)背景,搭建了一種航空用高功率密度電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型,結(jié)合直升機(jī)尾獎(jiǎng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場景,進(jìn)行了全面的仿真分析,結(jié)果表明,大功率電驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠滿足直升機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。

1高功率密度電機(jī)控制系統(tǒng)建模

航空領(lǐng)域?qū)C(jī)載設(shè)備重量要求極為嚴(yán)苛,對于驅(qū)動(dòng)設(shè)備來講,在一定的重量約束條件下應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能大的功率輸出,即實(shí)現(xiàn)高功重比指標(biāo)。為滿足直升機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)要求,本文采用永磁同步電機(jī)作為研究對象。

三相永磁同步電機(jī)(PMSM）是一個(gè)強(qiáng)耦合、復(fù)雜的非線性系統(tǒng),為了能夠更好地設(shè)計(jì)先進(jìn)的PMSM控制算法,建立合適的數(shù)學(xué)模型就顯得尤為重要。本文高功率密度電機(jī)及其控制系統(tǒng)仿真采用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)。Matlab軟件是一款用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算的高級計(jì)算預(yù)研和交互式環(huán)境平臺。Matlab軟件提供各類專業(yè)工具箱的Simulink仿真環(huán)境,常用的包括控制系統(tǒng)工具箱、電氣系統(tǒng)工具箱、通信與信號處理工具箱、物理仿真系統(tǒng)工具箱等,并提供圖形化的仿真與建模環(huán)境,適用于構(gòu)建物理及各種專業(yè)系統(tǒng)仿真模型的研究工作。

如圖1所示,本文構(gòu)建了一種高功率密度電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型,主要包括操縱信號(輸入控制信號）、控制系統(tǒng)(PI控制器、PwM信號發(fā)生器等）、高壓直流電源、驅(qū)動(dòng)器、永磁同步電機(jī),仿真參數(shù)如表1所示。

2高功率密度電機(jī)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

直升機(jī)尾獎(jiǎng)系統(tǒng)通過獎(jiǎng)距變化來平衡旋翼產(chǎn)生的扭矩,實(shí)現(xiàn)航向操縱,獎(jiǎng)距的變化通過改變尾獎(jiǎng)的獎(jiǎng)距角實(shí)現(xiàn)。通常,直升機(jī)飛行過程中需要經(jīng)常調(diào)整尾獎(jiǎng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)飛行控制,因此需要尾獎(jiǎng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有較高的響應(yīng)速度、較好的轉(zhuǎn)速控制精度、良好的負(fù)載響應(yīng)特性。為實(shí)現(xiàn)對高功率密度電機(jī)及其控制性能的全面仿真測試,本文進(jìn)行了響應(yīng)速度仿真測試、轉(zhuǎn)速控制精度仿真測試、負(fù)載響應(yīng)仿真測試等。

2.1響應(yīng)速度

直升機(jī)尾獎(jiǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)能夠跟隨控制信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速啟動(dòng)。電機(jī)空載啟動(dòng)曲線如圖2所示,電機(jī)轉(zhuǎn)速略有超調(diào),在0.3s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速特性。t=0.4s左右的時(shí)間,電機(jī)加載l0N·m左右的小負(fù)載,電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出平穩(wěn)。

圖2驅(qū)動(dòng)電機(jī)空載啟動(dòng)曲線

2.2控制精度

直升機(jī)尾槳轉(zhuǎn)速較為恒定,要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)有較好的轉(zhuǎn)速控制精度,并能應(yīng)對不同程度的負(fù)載擾動(dòng)影響。如圖3所示,在t=2s左右,加入21kw或100N·m的負(fù)載輸入,可以看出,電機(jī)在大約0.2s的時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)額定速度。在t=4s左右,加入42kw或200N·m輸入信號,可以看出,電機(jī)也在大約0.2s的時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)速度的恢復(fù)。因此可以看出,本文所提出的電機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速控制,并能有效應(yīng)對負(fù)載擾動(dòng)的影響。

2.3負(fù)載響應(yīng)

在直升機(jī)飛行過程中將進(jìn)行頻繁的操作以滿足轉(zhuǎn)向的控制需求,圖4所示為直升機(jī)尾槳典型操縱信號曲線,由圖可見,尾槳操縱信號變化較為劇烈,對尾槳電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有較高的跟隨要求。

圖5為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制響應(yīng)仿真圖像,從圖中可以看出,電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠很好地跟隨控制信號輸入。圖6則給出了階躍控制輸入下的響應(yīng)曲線,從圖中可以看出,電機(jī)在階躍輸入后約l0ms級即可實(shí)現(xiàn)速度跟隨,滿足輸出響應(yīng)要求。

以上結(jié)果表明,本文所提出的高功率密度電機(jī)及其控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求及控制精度要求,能夠滿足直升機(jī)整體的控制需求,且有助于提高直升機(jī)整體的操縱性能。

3結(jié)語

本文提出了一種高功率密度電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型,并結(jié)合直升機(jī)尾槳驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場景進(jìn)行了全面的仿真分析,給出了詳實(shí)的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明,本文提出的高功率密度電機(jī)及其控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)速控制精度高、負(fù)載響應(yīng)跟隨性強(qiáng),能夠滿足直升機(jī)尾槳驅(qū)動(dòng)的技術(shù)需要,為直升機(jī)大功率電驅(qū)動(dòng)及其他航空驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域提供了借鑒。