一種小型渦扇發動機多電控制系統設計

唐鈺婷，仇小杰

(中國航發控制系統研究所，江蘇無錫 214063)

1 引言

自20世紀90年代起，市場對作為小型飛行器動力裝置的小型渦輪發動機的需求量逐步增大。同時，隨著電力電子技術的發展，國外很多發達國家已著手進入多電發動機應用領域[1-4]。發動機控制系統是多電發動機的核心之一，先進的數字電子控制系統已經開始發展電力驅動、智能化、分布式的控制技術[5-6]，對發動機控制系統降低復雜性、減輕質量、提高可靠性、改善維修性和降低成本提供了切實可行的解決途徑[7-10]。目前，國外圍繞小型渦輪發動機研制配套的多電控制系統已經較為成熟，開始形成系列化發展格局；而國內對小型渦輪發動機應用多電控制系統的技術研究和工程化實現，是未來航空發動機控制技術的重要發展領域[11]。

本文以某小型渦扇發動機為應用對象，針對其提出的對控制系統進行改進設計，以小體積、輕質量、低成本、高可靠性為改進目標，在保持發動機原有主要控制功能和控制規律不變的基礎上，設計了一種結構簡單、靈活智能的多電控制系統，同時完成了系統的工程實現和試驗驗證。

2 控制系統設計

2.1 總體方案設計

根據該型渦扇發動機單轉子、幾何不可調節的結構特點，多電控制系統設計為圖1 所示的典型單變量控制系統，控制量為燃油流量，被控量為發動機轉速。

圖1 多電控制系統總體方案Fig.1 The overall design scheme of the more electric control system

發動機控制器實時采集發動機工作參數(發動機物理轉速Ne、進口溫度T1、風扇后溫度Tz、壓氣機后壓力p3等)并接收一體化制導機通訊發送的操縱指令(飛行高度H、目標轉速Ncor、起動指令等)，按照發動機控制規律計算出所需的燃油給定Wfm，然后通訊發送給電動燃油泵，通過精確控制電機轉速來實現供油流量的調節，從而控制發動機的各個工作狀態，實現發動機的起動、加速、巡航、停車等控制功能及其他限制功能。

此方案具有分布式控制的優點，將電動燃油泵轉速與發動機轉速解耦。電動燃油泵只作為整個控制系統的供油執行部件，按核心計算控制單元的指令對燃油流量進行精確控制。電動燃油泵的控制有明顯的功率特征，其分布出來成為一個智能節點后，也降低了系統的復雜性，提高了系統的可靠性。同時，電動燃油泵的供油模式為按需供油，直接根據發動機的需要控制燃油流量，無需回油，降低了發動機油耗。

2.2 閉環控制算法設計

根據發動機對控制系統的控制需求，確定控制系統的控制回路為轉速控制回路，即通過控制發動機燃油流量進行發動機工作狀態控制。控制系統的閉環控制算法原理見圖2。發動機控制器內部的閉環控制通過接收到的轉速指令和采集到的轉速反饋計算出對應狀態下的燃油流量給定，并發送給電動燃油泵；電動燃油泵內部構建以速度環為外環、電流環為內環的雙閉環控制結構，依據接收到的燃油給定指令實現電機轉速的快速調節，進而改變齒輪泵輸出給發動機的燃油流量。

由此閉環控制算法原理可知，控制系統已經構成了發動機轉速的外閉環和電動泵轉速的內閉環的兩個回路的串級控制，在內回路中抑制電動燃油泵對象的干擾，降低對發動機對象的影響，同時提高系統的響應速度和控制精度。

2.3 發動機控制器設計

發動機控制器是控制系統的核心控制單元，要負責與一體化制導機的指令交互及信息反饋，完成規定的發動機供油時序和供油量計算，作為中央控制器和子控制器一起完成發動機的起動、穩態和過渡態控制，以及工作狀態監視和故障診斷、隔離的任務。發動機控制器的設計包括硬件設計和軟件設計，同時需要兼顧小型化、易擴展的要求。

依據本多電控制系統的方案規劃，發動機控制器硬件需要具備以下功能：

(1) 為傳感器提供激勵電源；

(2) 對傳感器信號進行采集處理；

(3) 開關量輸入信號采集；

(4) 對控制輸入和控制輸出進行轉換；

(5) 提供嵌入式軟件運行的CPU 平臺，提供相應中斷源；

(6) 協同控制軟件可實現的自檢；

(7) 電源監測和看門狗；

(8) 與一體化制導機、電動燃油泵雙向通訊。

發動機控制器結構原理如圖3 所示，主要由信號處理模塊、輸入模塊、控制模塊、輸出模塊、隔離驅動模塊、通訊模塊和電源模塊等組成。

圖3 發動機控制器結構原理Fig.3 Structure schematic diagram of engine controller

發動機控制器軟件為嵌入式軟件，加載在發動機控制器內部，采用定時中斷的方式達到實時性要求，負責實現硬件底層接口編程、數據采集、通訊處理和應用層控制算法、控制規律、控制策略。控制軟件總流程如圖4所示。

圖4 控制軟件總流程Fig.4 Control software flow chart

2.4 電動燃油泵設計

考慮該型發動機的使用特點和質量、體積與成本，電動燃油泵采用一體化設計，主要由永磁同步電機、電機控制器、燃油齒輪泵、定壓活門、起動電磁閥、燃油分布器等組成，如圖5所示。根據電動燃油泵負載特性，在泵前、泵后壓力不變時，電動燃油泵轉速與燃油流量成特定關系。電動燃油泵工作時，電機控制器根據接收到的燃油流量給定計算出電機轉速，通過精確控制與電機轉軸固連的燃油齒輪泵的轉速來調節供油量，燃油經過燃油分布器后進入發動機。

圖5 電動燃油泵工作原理Fig.5 Schematics of the electric fuel pump

電機選用體積小、質量輕、功率密度高、過載倍數大、發熱量小、效率高的永磁同步電機。電機控制器作為電動燃油泵的關鍵部件，負責處理電動燃油泵與發動機控制器的通訊，并完成電機功率驅動、傳感器信號(繞組溫度、繞組電流、旋轉變壓器)和開關量輸入信號采集、回路(轉速環、電流環)閉環控制、起動電磁閥驅動等功能，內部加載電動燃油泵的控制軟件。永磁同步電機選取矢量控制技術控制，其相對于直接轉矩控制，輸出轉矩更平穩，電流利用率更高，具有更好的啟動、制動性能。永磁同步電機矢量控制的電流控制策略選取轉矩電流比最大控制，相比其他控制方式可輸出的力矩更大，電磁損耗也更小。

3 試驗驗證

3.1 半物理模擬試驗

在半物理模擬環境中進行試驗，以驗證設計的多電控制系統的控制效果。發動機采用模型，發動機控制器和電動燃油泵采用實物，傳感器采用DA輸出進行動態模擬。以控制系統穩態和加減速試驗為例，發動機轉速閉環控制試驗曲線見圖6，電動燃油泵轉速閉環控制試驗曲線見圖7。圖中，Neg為發動機物理轉速給定，nDem為電機轉速給定，n為電機轉速反饋。圖6 中發動機轉速穩態控制精度為±0.02%，加速時間為2.9 s，減速時間為3.65 s。

圖6 發動機轉速閉環控制半物理試驗曲線Fig.6 Engine speed closed-loop control curve of semi physical test

圖7 電動燃油泵轉速閉環控制半物理試驗曲線Fig.7 Electric fuel pump speed closed-loop control curve of semi physical test

半物理模擬試驗結果表明，該多電控制系統可以保證發動機穩定工作，性能指標滿足設計要求，可以參加發動機地面臺架試車。

3.2 發動機地面臺架試車

發動機地面臺架試車結果如圖8 所示，包含發動機起動、慢車、穩態、過渡態和停車的整個地面試車動態特性曲線。由圖可知，整個試車過程中，該多電控制系統具有良好的控制效果，實現了預定的功能性能，滿足發動機使用要求。

圖8 發動機地面臺架試車曲線Fig.8 Engine ground test curve

4 結論

結合某小型渦扇發動機改進燃油控制系統的需要，依據發動機的應用背景和研制訴求，設計了一種小型渦扇發動機多電控制系統。針對發動機對象的特點，設計了控制系統的多電分布式總體方案，并在此方案基礎上根據控制需求設計了系統閉環控制算法，對關鍵部件設計提供了解決方案，降低了系統的復雜性，提高了系統的可靠性。設計的小型渦扇發動機多電控制系統完成了工程實現，并在半物理模擬試驗環境和地面臺架試車環境進行了試驗驗證，結果表明其可滿足小型渦扇發動機的控制要求，具有良好的應用前景。