在今天的飞机上，液压和气动驱动系统越来越多地被电气系统所取代。主要飞行控制面(如副翼和升降舵)的执行器，以及起落架、制动系统和燃油输送系统的执行器，现在都由电力电子驱动。驱动这些执行器的电动机必须小、轻、便宜。它们还需要在5万至15万小时的正常飞行运行和各种故障条件下可靠地运行。
为了满足这些要求，Microsemi航空卓越中心正在开发一系列基于功率核心模块(PCM)的智能电源解决方案™(IPS)，该模块使用MATLAB设计和测试金宝搏官方网站®和仿真软金宝app件®．基于模型的设计使我们能够将我们的设计推向极限，因为我们可以模拟故障，优化性能，并通过在开发过程早期对电机驱动硬件和控制软件进行实时可靠性测试来降低风险。
PCM建模与运行闭环仿真
一个完整的电力电气控制单元由脉冲宽度调制(PWM)控制、数据转换和通信功能组成;过滤与保护;三相永磁同步电机(PMSM)驱动;控制模块;以及监控模块(图1)。电机电流、电机速度和执行器位置被馈送到监控模块，控制模块使用该信息指示PCM使电机加速或减速。由于这是一种新的设计，我们不得不在没有可用的监测模块或控制模块的工作版本来测试的情况下开发PCM。
我们在Simulink中对PCM进行建模，使金宝app用Simscape Power Systems™和Simscape Electronics™对三相PMSM驱动器和电子元件以及控制和监控模块进行建模。然后，我们运行闭环模拟来描述系统的电气和机械行为。
接下来，我们使用Simulink Coder™和Simulink Real-Time™将三个模型部署到Speedgoat目标系统中的Spartan-6 FPGA上(图2)。模块通过低压金宝app差分信号(LVDS)接口进行通信。在一个测试设置中，PCM控制器和其他模块都在目标硬件上运行以进行实时测试。在不同的设置中，我们将控制器部署到PCM上的ProASIC3生产FPGA上，并使用目标硬件系统执行控制和监控模块的功能，运行硬件在环测试。我们使用这两种测试设置来测试正常操作。我们还测试了控制器对几种故障条件(包括电机故障)的响应，以执行故障模式、影响和临界分析。
在真实条件下测试真实飞行剖面
为了在真实飞行剖面下演示PCM，我们开发了Simulink和Stateflow金宝app®将飞行特性转换为驱动系统的电气和机械要求的模型。例如，当飞机经历飞行的典型阶段——滑行、起飞、爬升、巡航、下降、接近和着陆时，副翼执行器的电机电流需求会发生显著变化。我们使用Simulink和Stateflow任务和飞行轮廓模型进行的金宝app模拟使我们能够准确估计特定飞机上副翼和其他部件的电机电流需求(图3)。
对于我们的可靠性测试，我们根据飞行轮廓模拟结果生成了飞机特定的电机电流需求。我们使用可变压力和温度的环境室。例如，波士顿夏季的环境温度比迪拜低得多，我们的测试必须考虑到这一点。有了环境室，我们可以将系统暴露在-55摄氏度的温度和小于0.2巴的压力下(在海拔39,000英尺或更高的地方很常见)。代表15万飞行小时的长期可靠性试验需要对结果进行仔细监测和彻底分析。我们在MATLAB中进行监测和数据分析。
我们学到了什么
通过广泛的建模和仿真，我们确定了配备基于碳化硅(SiC) mosfet的电机驱动器的单元的工作温度比使用igbt的类似单元低约40摄氏度。
由于主动冷却在当今更小更轻的硬件设计中是不可能实现的，因此在运行时管理设备的温度对于确保它能够可靠地运行15万飞行小时至关重要。模拟还显示，igbt的功耗比SiC mosfet高得多(图4)。这些见解为我们的PCM设计决策提供了依据，并指出SiC mosfet是一种使能技术，因为行业正朝着更多电动飞机的电传控制发展。
金宝appSimulink、Simulink Real-Time和Speedgoat目标硬件使我们能够证明我们早期设计的特定应用的可靠性，而无需在实际飞机上安装这些单元。通过基于模型的设计，我们可以进行持续的验证和验证，而不必等到电力电气控制单元的所有方面都开发出来。
我们从客户那里得到的反馈是非常积极的。根据我们的实时仿真结果，我们有信心，我们可以满足PCM的可靠性目标，因为我们继续减少单元的尺寸、重量和成本。
文章刊登于MathWorks新闻与笔记
