在今天的飞机上，液压和气动作动系统正日益被电气系统所取代。主要飞行控制面(如副翼和升降舵)的执行器，以及起落架、制动系统和燃料输送系统的执行器，现在都由电力电子驱动。驱动这些执行器的电动机需要体积小、重量轻、价格便宜。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)，该模块由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设计推向极限，因为我们可以模拟故障，优化性能，并在开发过程的早期对电机驱动硬件和控制软件进行实时可靠性测试，从而降低风险。
PCM的建模和运行闭环仿真
一种完整的电力电气控制单元，包括脉宽调制(PWM)控制、数据转换和通信功能;过滤和保护;三相永磁同步电机(PMSM)驱动;一个控制模块;和一个监测模块(图1)。电机电流、电机转速和执行器位置被输入到监测模块，控制模块使用这些信息来指导PCM加速或减速电机。因为这是一种新的设计，我们不得不在没有可用的监控模块或控制模块的工作版本的情况下开发PCM。
我们在Simulink中对PCM建模，使用S金宝appimscape Power Systems™和Simscape Electronics™对三相PMSM驱动器、电子组件以及控制和监控模块建模。然后，我们进行了闭环模拟，以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™将这三种型号部署到Speedgoat目标系统中的Spartan-6 FPGA中(图2)。这些模块通金宝app过低压差分信号(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。在另一种设置中，我们将控制器部署到PCM上的生产ProASIC3 FPGA上，并使用目标硬件系统执行控制和监控模块的功能，进行硬件在环测试。我们使用两种测试设置测试正常操作。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。
在真实世界条件下测试真实世界的飞行轮廓
为了在真实的飞行剖面下演示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，当飞机经历滑行、起飞、上升、巡航、下降、接近和降落等典型飞行阶段时，副翼执行器对马达电流的需求就会发生显著变化。我们使用Simulink和Stateflow任务和飞行剖面模型进行的金宝app模拟使我们能够准确估计特定飞机上副翼和其他组件的电机电流需求(图3)。
对于我们的可靠性测试，我们根据飞行剖面模拟结果生成飞机特定的电机电流需求。我们使用改变压力和温度的环境舱。例如，波士顿的夏季环境温度比迪拜低得多，我们的测试必须考虑到这一点。通过环境舱，我们可以将系统暴露在零下55摄氏度的温度和低于0.2巴的压力下(在海拔39000英尺或更高的地方，这种情况很常见)。15万飞行小时的长期可靠性测试需要仔细监测和彻底分析结果。我们在MATLAB中进行监测和数据分析。
我们学到了什么
通过广泛的建模和模拟，我们确定了配备基于碳化硅(SiC) mosfet的电机驱动的单元，其工作温度大约比类似的igbt单元低40°摄氏度。
由于在当今更小、更轻的硬件设计下，主动冷却是不可能的，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，随着行业在更多电动飞机上增加线控飞控，SiC mosfet是一种可行技术。
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应用特定的可靠性，而无需在实际的飞机上安装单元。通过基于模型的设计，我们可以不需要等待电力电气控制单元的所有方面都开发完成，就可以进行持续的验证和验证。
我们从客户那里得到的反馈非常积极。根据我们的实时模拟结果，随着我们不断减小单元的尺寸、重量和成本，我们有信心能够满足PCM的可靠性目标。
文章刊登在MathWorks新闻和笔记
