基于Simplorer/Maxwell的多電飛機機電驅動系統仿真研究

楊鐘鼎，周潔敏，姜春燕，周　迪，楊東澄

(南京航空航天大學 民航學院，南京　211106)

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基于Simplorer/Maxwell的多電飛機機電驅動系統仿真研究

楊鐘鼎，周潔敏，姜春燕，周迪，楊東澄

(南京航空航天大學 民航學院，南京211106)

摘要：機電作動器(EMA)是將電能轉變為機械能，利用電能驅動負載的一類機電驅動器件，在多電飛機中得到廣泛應用。根據飛機系統運行特點，以無刷直流電機(BLDCM)為切入點，對機電驅動系統的工作特性及其結構進行分析。采用Maxwell自帶的RMxprt模塊對無刷直流電機本體建立電磁模型，并生成二維模型進行電磁模擬分析。同時，以Simplorer作為BLDCM驅動電路、控制器、換相器、位置檢測部件等的仿真平臺，通過Simplorer通信接口實現Maxwell和Simplorer聯合仿真，驗證了電機控制方案和仿真方法的正確性、合理性。

關鍵詞：多電飛機；機電作動器；無刷直流電機；Simplorer；Maxwell

1背景

傳統飛機大多采用液壓能、電能、氣壓能等混合能源，但由于混合能源結構復雜、能源利用率低、可靠性差，使得多電飛機應運而生。多電飛機以電能為主要能源，大范圍采用功率電傳技術和機電驅動技術。以機電作動器(EMA)為代表的機電驅動技術在多電飛機中運用非常廣泛。EMA是將電能轉變為機械能，利用電能驅動負載的一類驅動器件，主要用于飛機發動機啟動、電環控系統、風扇調控等場合。根據飛機系統的運行特點，要求驅動電機響應快、抗負載和干擾的能力強、實時性好、控制靈活。通過對開關磁阻電機、步進電機、無刷直流電機(BLDCM)的比較，發現開關磁阻電機運轉時具有存在噪聲、轉矩有脈動、步進電機不易控制、難以獲得高轉速大轉矩等缺點。此外，常規的有刷直流電機因噪聲大、換相不可靠、效率低而不適合高空環境。最終BLDCM以其低噪聲、功率密度大、效率高、控制靈活等優點作為本文多電飛機機電驅動系統的電機模型進行仿真研究。

目前，系統級仿真大多采用Matlab軟件進行建模，而Matlab存在著計算效率較低、仿真精度不高等缺點，不適用于飛機機電驅動系統的仿真研究。因此，本文運用Maxwell和Simplorer分別對BLDCM本體和電機驅動控制系統建立模型并聯合仿真。其中，Maxwell主要用來對電機、變壓器、激勵器等進行電磁仿真分析，利用Maxwell自帶的RMxprt模塊直接輸入電機參數建立電機的電磁模型，進而生成電機二維模型。Simplorer是用于多物理領域的仿真分析軟件，主要用于電氣、電磁等方面的設計和建模仿真，具有強大的系統仿真功能，可以方便地實現電力電子、傳感器、電動機、控制系統等模塊的聯合設計和仿真分析。相比于單一的Matlab仿真，Maxwell和Simplorer協同仿真使得系統仿真結果更加精確、可靠，這也與航空領域對機載電氣設備的高精確性要求相契合。

2無刷直流電機系統組成及數學模型

2.1無刷直流電機系統組成

系統主要由BLDCM本體、位置檢測部件、電源、逆變電路、換相器、控制電路等組成，系統原理如圖1所示。電機控制系統首先利用位置檢測部件得到霍爾位置方波信號，經轉速計算后形成速度反饋信號，再經過雙閉環調節得到PWM信號以實現對電樞電壓的調節。

圖1　無刷直流電機系統原理

2.2數學模型

BLDCM的數學模型對分析系統特性具有重要指導意義，同時也反映了電機相電壓、相電流、每項感應電勢之間的函數關系。為了方便分析BLDCM數學模型，作出如下假設：① 由磁場脈動或交變產生的磁芯損耗忽略不計；② 電機鐵心為永磁體，忽略溫度因素；③ 電樞導體均勻分布；④ 逆變器開關管為理想開關。

圖2為BLDCM等效電路。從圖中可以看出：電機相電壓包括相電阻電壓和感應電勢。

由此得到相電壓方程矩陣形式：

(1)

式中：uA，uB，uC是定子繞組相電壓(V)；iA，iB，iC是定子每相繞組相電流(A)；R是定子每相繞組電阻(Ω)；L是每相繞組自感(H)；M是每兩相繞組之間互感(H)；eA，eB，eC是定子每相繞組的感應電勢。

電機電磁轉矩方程為

(2)

式中：Te是電磁轉矩(N·m)；Ω是電機機械角速度(rad/s)。

無刷直流電機運動方程為

(3)

式中：TL是負載轉矩(N·m)；J是轉子轉動慣量(kg·m2)；Bv是黏滯摩擦因數(N·m·s)。

圖2　無刷直流電機等效電路

3無刷直流電機系統模型建立及仿真分析

3.1無刷直流電機Maxwell 2D模型

采用Maxwell自帶的RMxprt模塊，輸入電機定子鐵芯、定子槽、轉子鐵芯、磁極等部件的尺寸，建立電機模型，并生成Maxwell 2D模型。同時，設置電機運動部件、邊界條件、部件材料、繞組和激勵條件等。無刷直流電機基本結構參數如表1所示。為了得到電機的精確電磁分析結果，定義邊界調節，設定激勵源，對電機部件進行網絡剖分。BLDCM本體Maxwell二維模型及其網絡剖分如圖3所示，可以看出：BLDCM本體模型的建立較為理想，符合系統要求。

表1　無刷直流電機基本結構參數

圖3　無刷直流電機二維模型(左)

設置求解參數，求解器為瞬態場。設定仿真時間，進行分析自檢，對電機進行電磁仿真分析，以查看其磁密和磁力線分布、定子感應電勢、繞組磁鏈等分析結果，便于與實際的電機特性進行比較。空載運行時的定子感應電勢如圖4所示，可以看出：空載時電機定子感應電勢為相位相差120°的梯形波，且存在一定波動。

圖4　BLDCM定子感應電勢曲線

3.2無刷直流電機系統主電路模型

采用Simplorer自帶元件庫中的相關元器件構建驅動電路模型，如圖5所示，主要包括6個IGBT，6個續流二極管。BLDCM本體模型由Maxwell導入到Simplorer環境中。與Matlab相比，Simplorer 在對IGBT仿真時可以考慮噪聲、開關損耗、溫度等因素的影響，仿真結果更加精確。

在Simplorer的元件庫中IGBT有3種模型，分別為一般模型(average)、基本動態模型(basic dynamic)和高級動態模型(advanced dynamic)。本文選擇高級動態模型中的IGBT模型作為BLDCM主電路為三相全橋驅動電路的功率開關管，可充分考慮到飛行環境下噪聲、損耗、溫度對其的影響。每個開關管IGBT的工作順序和持續時間由霍爾式位置傳感器檢測到的磁極與電樞繞組的相對位置信號確定，從而控制電機電樞電流的通斷。在BLDCM運行過程中，定子產生旋轉式的磁場，將1個電周期360°分為6個節拍，轉子每旋轉60°電角度為1個節拍，逆變電路中的電流相位發生變化，定子合成磁場狀態隨之改變。每個節拍代表1種狀態，共有6種狀態。

3.3控制電路模型

飛機飛行環境多變，受氣壓、溫度、濕度、惡劣天氣等因素的影響，因此要求BLDCM的控制電路能夠快速反映速度變化、控制靈活、算法簡便，故本文采用基于PI調節的電壓環和轉矩環共同構成雙閉環控制系統。相對于順向作用的開環控制系統，閉環控制的控制精度高，可以根據系統出現的誤差信號進行及時的調節。電壓環(速度環)和轉矩環(電流環)的Simplorer模型如圖6所示。電壓環即速度環，通過霍爾傳感器得到轉子磁極和電樞繞組相對位置信號，經過轉速計算得到轉速反饋電信號speed_back，與參考信號speed_ref形成誤差信號。在PI調節模塊中設置比例積分調節參數，對誤差信號進行調節，作為LIMIT模塊的輸入信號形成轉矩環的參考信號。在電流PI調解中，電流參考信號分別與電機的三相電流信號AM_a，AM_b，AM_c形成誤差信號，此誤差信號經過脈沖寬度調制(PWM)形成方波信號，經過換相器控制IGBT的通斷，從而控制驅動電路將直流電轉變為交流電，實現對電機轉速的控制。BLDCM 邏輯換相模塊如圖7所示。

圖5　BLDCM驅動電路模型

圖6　電壓環和轉矩環的Simplorer模型

3.4邏輯換相模塊

多電飛機對機電驅動系統的可靠性和精確性要求非常高，要求BLDCM能夠持續穩定地工作，而這與逆變器的換相準確可靠分不開。逆變器的換相是由在轉子上的霍爾傳感器檢測到的轉子磁極與電樞繞組相對位置信號和PWM信號通過換相邏輯電路產生的觸發信號控制的。采用Simplorer自帶的邏輯與門、邏輯非門等邏輯部件建立換相邏輯門電路，如圖7所示。從圖中可以看出：以由Simplorer建立的位置檢測單元檢測到的霍爾位置信號(HA、HB、HC)和電壓環、轉矩環共同調節得到的PWM方波信號作為輸入信號，以通過邏輯變換形成6路電機換相脈沖和速度脈沖作為輸出信號，控制開關管的通斷。

3.5仿真結果

通過Maxwell和Simplorer將上述各個模塊的仿真模型相互連接，實現聯合仿真，其系統模型如圖8所示。設置無刷直流電機系統主要參數：定子繞組電阻R=1 Ω，額定電壓為270 V，額定轉速為1 600 r/min，定子繞組電感L=0.02 H，極對數p=2，額定頻率為50 Hz，轉動慣量J=0.000 8 kg·m2，阻尼系數Bv=0.000 1 N·m·s，PI調節系數Kp=5，Ki=0.01。圖9、10分別表示了BLDCM轉矩和轉速仿真波形。由仿真波形可以清楚地看到：在電機通電啟動的瞬間，由于BLDCM定子與轉子之間的氣息磁場分布呈現梯形狀，其啟動電流很大，故電機轉矩很大，轉速迅速增加；大約在25 ms時，電機運行穩定，電磁轉矩和轉速趨于動態平衡。由此可見，電機的逆變電路、控制器、換相器等的設計基本達到預期的要求，驗證了整個系統設計方法和所建立模型的正確性。

圖7　BLDCM邏輯換相模塊

圖8　無刷直流電機系統模型

圖9　無刷直流電機轉矩

圖10　無刷直流電機轉速曲線

4 結束語

本文以無刷直流電機(BLDCM)為切入點，對機電驅動系統的工作特性及其組成進行了系統的分析，詳細討論了無刷直流電機系統的結構和BLDCM的數學模型，在Maxwell環境中對BLDCM本體進行二維模型建立和電磁分析。以Simplorer為仿真平臺對電機控制器、逆變電路、換向器等進行建模仿真，并實現與Maxwell的聯合仿真，最后得出相應的仿真模型和結果，驗證了整體設計方案的正確性。與單一地利用Matlab進行系統仿真相比，Maxwell和Simplorer聯合仿真的精度有所提高。此外，本文方法為無刷直流電機在多電飛機領域更好、更有效的利用提供了仿真實驗基礎。

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(責任編輯楊黎麗)

Simulation Research on Electro-Mechanical Drive System of Multi Electric Aircraft Based On Simplorer/Maxwell

YANG Zhong-ding, ZHOU Jie-min, JIANG Chun-yan, ZHOU Di, YANG Dong-chen

(College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106,China)

Abstract:Electro-mechanical actuator (EMA) is a kind of electromechanical actuator which can transform the electric energy into mechanical energy, and uses the electric energy to drive the load and is widely used in multi electric aircraft. According to the characteristics of the aircraft system, the paper analyzed the working characteristics and composition of the mechanical and electrical drive system based on the brushless DC motor (BLDCM) as the starting point. The RMxprt module of Maxwell was used to build the model of the brushless DC motor and to generate two-dimensional model for electromagnetic simulation analysis. At the same time, the simulation platform of Simplorer was used as the driving circuit of BLDCM, the controller, the converter, the position detecting unit and so on. At last, the combined simulation of Maxwell and Simplorer was realized by Simplorer communication interface to verify the correctness and rationality of the motor control scheme and simulation method.

Key words:multi electric aircraft; electro-mechanical actuator; BLDCM; Simplorer; Maxwell

文章編號：1674-8425(2016)02-0127-06

中圖分類號：TM33;V242

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.022

作者簡介：楊鐘鼎(1989—)男，江蘇南京人，碩士，主要從事電子信息處理及控制研究。

基金項目：609國防基礎預研基金資助項目(APSC-NJZX-D201303-J03)

收稿日期：2015-10-27

引用格式：楊鐘鼎，周潔敏，姜春燕，等.基于Simplorer/Maxwell的多電飛機機電驅動系統仿真研究[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(2):127-132.

Citation format：YANG Zhong-ding, ZHOU Jie-min, JIANG Chun-yan, et al.Simulation Research on Electro-Mechanical Drive System of Multi Electric Aircraft Based On Simplorer/Maxwell[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):127-132.