高速電機驅動飛機環控系統仿真研究

王 佩 周潔敏 鄭 罡 / WANG Pei ZHOU Jiemin ZHENG Gang

(南京航空航天大學，南京 211106)

0 引言

多電飛機(More Electric Aircraft，以下簡稱MEA)旨在更多地使用電能代替傳統液壓、氣壓和機械能，是先進飛機發展的方向。環境控制系統作為飛機重要組成部分，必須能夠應對不同溫度、濕度條件，確保機組人員和乘客享受安全舒適的環境，使機載儀器設備精確有效地工作[1]。

環境控制系統的核心是空氣循環制冷系統(Air Cycle Refrigeration System，以下簡稱ACRS)，傳統的空氣循環制冷系統主要是空氣循環機(Air Cycle Machine，以下簡稱ACM)和渦輪壓氣機組。傳統單循環空氣循環制冷系統采用發動機引氣方式調節空氣，這種方式效率低，而且需要大量的環境空氣用于冷卻工質空氣，增大了飛行阻力。因此，先進的空氣循環制冷系統應采用閉環式結構，提高對引氣的利用率，降低能耗。

高速電機(High Speed Motor，以下簡稱HSM)及其驅動技術發展日益成熟[2]，研究者對比HSM和ACM的旋轉方式后，認識到將HSM應用于ACM的可能，即ADM (ACM Driven by HSM，以下簡稱ADM)技術，由HSM部分或全部消除傳統的ACRS對高壓氣源引氣的依賴。采用高速電機驅動壓氣機組件結構簡單、尺寸小，便于在現有的ACRS系統的空間設計中安裝，同時不會造成整個系統結構的大范圍改動。本文選擇永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，以下簡稱PMSM)，因其無需勵磁繞組和勵磁裝置，無勵磁功率消耗，相同功率等級的條件下體積較小，適用于航空等對可靠性要求很高的高速運行場合[3-4]。文獻[5]提出不同高速電機驅動策略，通過對比分析矢量控制、直接轉矩控制等控制策略，選擇SVPWM矢量控制驅動策略，能達到減小電能損耗、提高電網品質和系統工作效率、增強系統穩定性和安全性的目的。

1 多電飛機環控系統

波音787作為典型的多電飛機，首次將電能作為環境控制系統的能量來源，采用高速電機驅動壓氣機，開辟了大型客機采用電環控系統的先例。參考文獻[6]對波音787電驅動環控系統進行了詳細介紹，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 波音787電動環境控制系統

波音787配備兩套空調組件，組件結構相同，圖1所示是一套組件的示意圖。每套組件具有兩臺電驅動的電機壓氣機，每一臺由125 kW的永磁調速電動機驅動，實現對永磁調速電機的控制。經過電驅動的壓氣機壓縮后輸出的空氣一部分傳輸到臭氧轉換器，經過臭氧轉換器的轉換獲得部分沖壓空氣；另一部分傳輸到熱交換器，空氣經過兩級熱交換器輸出后與再循環空氣混合獲得符合客艙溫度和壓力要求的空氣，實現了對沖壓空氣的重復利用[7]。

根據波音787電動環境控制系統，設計了由高速電機驅動的閉式 ACRS系統，如圖2所示。系統包含初、次級壓氣機和一個單級渦輪冷卻器。壓氣機由高速電機驅動，首先對空氣進行初級處理，提高溫度和壓力，經過次級壓氣機再次處理流向散熱器，環境空氣不斷地送入散熱器帶走一部分熱量，空氣溫度降低，渦輪膨脹做功，進一步處理，輸出的空氣傳輸至回熱器，回熱器中的氣體包含外部空氣和部分客艙回氣，保證送向座艙的空氣溫度不會太低，混合空氣一部分流向被冷卻艙室，多余空氣再流向初級壓氣機構成封閉式循環，很大程度上提高了引氣的利用率，有效減少了燃油損耗。

圖2 高速電機驅動閉式ACRS示意圖

本文所討論的電動環控系統由三相整流器、逆變器、PMSM和電動壓氣機四部分組成，如圖3所示，三相整流器屬于電源模塊，負責將飛機電網傳輸的230 V變頻交流電轉換成540 V高壓直流電為驅動電路供電，PMSM和壓氣機負載同軸旋轉，便于高速電機向壓氣機傳遞能量。

圖3 電動環控系統組成結構

2 PMSM控制系統

本文采用的高速電機為PMSM，其采用永久磁鐵勵磁，無電刷和滑環，其機械結構簡單，易于檢測，可靠性好，電機無勵磁損耗，功率因數接近1，能夠承受較大的過載電流，抗干擾能力強，同等功率等級下體積更小，適用于航空電機[8]。控制方法采用SVPWM技術，即將形成旋轉磁場轉化為形成旋轉的電壓空間矢量的問題。將逆變器和電機看作一個整體，SVPWM控制通過對逆變器開關器件的導通和關斷時間的控制，產生不同的電壓矢量，確保電機工作過程中產生的磁鏈接近理想磁鏈圓[9]。

如圖4所示，PMSM的控制系統由三相逆變器、PMSM、控制電路和速度與位置傳感器構成。ASR、ACR組成雙閉環控制系統，即速度環和電流環。內環系統性能決定外環系統性能，因此，電流環控制器的設計是電動環控系統具有良好性能的關鍵。

圖4 PMSM矢量控制框圖

采用id=0的矢量控制策略，具體工作原理如下：首先輸入指定轉速，與實際轉速比較，實際信號包含三相電流信號經過Clark和Park變換值和傳感器檢測得到的轉速信號n和位置信號θ。得到誤差信號后，傳遞給速度控制器，控制器輸出電流參考值。d、q軸電流參考信號與電機實際輸出的電流信號進行比較，經過電流控制器，處理后的信號經過坐標變換，得到Uα、Uβ，生成 PWM(Pulse Width Modulation)調制波，輸入IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)逆變器，控制電機旋轉，從而使負載達到指定轉速，獲得符合要求的壓氣機增壓比和絕熱效率。

圖5為電動壓氣機驅動控制系統雙閉環控制模型，其中：電流環fi=5 kHZ，速度環fn=1 kHZ。取電流反饋放大系數β=1，速度反饋放大系數α=1，逆變器的放大系數KPWM=1，電流環的周期Toi=0.000 2 s，速度環周期為Ton=0.001 s，逆變器的時間常數為TPWM=0.000 05 s。

圖5 雙閉環控制模型

3 壓氣機數學模型

壓氣機工作狀態受到多種因素的影響，如所帶負載的變化，運行環境溫度或者壓強的變化，壓氣機部件的損傷等，影響壓氣機的基本特性參數(壓比、效率、轉速和流量)隨著外界因素的變化而變化，壓氣機模型的處理方法通常情況是使用壓氣機特性曲線[10]。因此，這里所說的壓氣機的數學模型是基于其穩態特性建立的，式(1)～(3)分別表示壓氣機的出口溫度Tcout、功率Pc和負載轉矩Td。

(1)

(2)

(3)

式中：cp為氣體比容；G為壓氣機進氣口空氣流量；n為壓氣機和高速電機同軸旋轉的轉速。

4 Simulink軟件建模與仿真

4.1 電動環控系統建模

電動環控系統由三個小模塊組成：驅動電源模塊(三相電壓整流器)、驅動電機模塊(永磁同步電機)和負載模塊(壓氣機)。圖6是在Matlab/Simulink軟件平臺上設計的系統整體模型。

圖6 電動環境控制系統整體模型

圖6中：f為電網電壓頻率；n為驅動電機轉速；Gc為壓氣機進口空氣流量；pic為壓氣機的增壓比；ηc為壓氣機負載的絕熱效率。rectification為電壓整流器模塊，將230 V變頻交流的電網電壓轉換成540 V的高壓直流，為大功率負載提供足夠大的穩定功率。PMSM-control為PMSM控制模塊，是系統的核心。compressor為壓氣機負載模型，該模型是基于壓氣機特性曲線建立的，采用神經網絡的方式處理數據[10]。三者詳細仿真模型分別見圖7～圖9。

圖7 三相電壓型整流器仿真模型

圖8 PMSM控制系統模型

圖9 壓氣機負載仿真模型

4.2 系統Simulink仿真

根據所建模型，選取如表1所列的電動機仿真參數進行仿真。

表1 電動機仿真參數

仿真結果如圖10所示。

圖10反映出電機起動時力矩較大，振幅偏高，但隨著電機的轉速達到目標值，力矩收斂，系統在0.08 s趨于穩定，穩定后轉速約為10 000 r/min，可見系統響應速度較快，超調量也比較小，此時壓氣機正常運行。

在工作時間為0.1 s處，加入負載為的機械負載，電機的工作特性曲線如圖11所示。

突加負載后，系統發生震蕩，持續時間約為0.05 s，迅速恢復穩定。觀察轉速波形，幾乎趨于穩定值，沒有因為突加負載而出現明顯的變化，表明系統穩定，調節能力強。

(a) 電動機電磁轉矩波形

(b) 電動機轉速波形

(c) 壓氣機增壓比曲線

(d) 壓氣機絕熱效率曲線

(a) 電動機電磁轉矩波形

(b) 電動機轉速波形圖11 t = 0.1 s時突加負載環控系統仿真結果

5 結論

電動環控控制系統采用高速電機驅動壓氣機，取消發動機引氣，簡化飛機結構，減少燃油消耗，為飛機飛行效率、可靠性、維修性、節能減排的實現奠定了理論基礎。本文確定了高速電機和壓氣機負載的建模方式，根據電動環境控制系統的負載功率特性，進行控制策略的研究，并設計了雙閉環控制系統，使其具有較強穩態和動態性能。

研究過程中為簡化系統模型，采用基于壓氣機特性曲線的負載建模方式，與傳統的機械化結構模型相比，精確度較低。優化壓氣機負載模型是環境控制系統研究的重點之一。電動環境控制系統作為大功率負載，其負載特性對電網品質影響較大，為提高系統魯棒性，可采用新型控制策略如最大電流轉矩比控制、滑模變結構控制等，對比不同控制策略對電驅動空氣循環系統動性能的改善和驅動功率等級。