楊鐘鼎，周潔敏，姜春燕，周　迪，楊東澄

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京　211106)

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基于Simplorer/Maxwell的多電飛機(jī)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(xué) 民航學(xué)院，南京211106)

摘要：機(jī)電作動(dòng)器(EMA)是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，利用電能驅(qū)動(dòng)負(fù)載的一類機(jī)電驅(qū)動(dòng)器件，在多電飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，以無刷直流電機(jī)(BLDCM)為切入點(diǎn)，對(duì)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。采用Maxwell自帶的RMxprt模塊對(duì)無刷直流電機(jī)本體建立電磁模型，并生成二維模型進(jìn)行電磁模擬分析。同時(shí)，以Simplorer作為BLDCM驅(qū)動(dòng)電路、控制器、換相器、位置檢測(cè)部件等的仿真平臺(tái)，通過Simplorer通信接口實(shí)現(xiàn)Maxwell和Simplorer聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了電機(jī)控制方案和仿真方法的正確性、合理性。

關(guān)鍵詞：多電飛機(jī)；機(jī)電作動(dòng)器；無刷直流電機(jī)；Simplorer；Maxwell

1背景

傳統(tǒng)飛機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、能源利用率低、可靠性差，使得多電飛機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。多電飛機(jī)以電能為主要能源，大范圍采用功率電傳技術(shù)和機(jī)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。以機(jī)電作動(dòng)器(EMA)為代表的機(jī)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)在多電飛機(jī)中運(yùn)用非常廣泛。EMA是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，利用電能驅(qū)動(dòng)負(fù)載的一類驅(qū)動(dòng)器件，主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、電環(huán)控系統(tǒng)、風(fēng)扇調(diào)控等場(chǎng)合。根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)響應(yīng)快、抗負(fù)載和干擾的能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、控制靈活。通過對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)(BLDCM)的比較，發(fā)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有存在噪聲、轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)不易控制、難以獲得高轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩等缺點(diǎn)。此外，常規(guī)的有刷直流電機(jī)因噪聲大、換相不可靠、效率低而不適合高空環(huán)境。最終BLDCM以其低噪聲、功率密度大、效率高、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)作為本文多電飛機(jī)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)模型進(jìn)行仿真研究。

目前，系統(tǒng)級(jí)仿真大多采用Matlab軟件進(jìn)行建模，而Matlab存在著計(jì)算效率較低、仿真精度不高等缺點(diǎn)，不適用于飛機(jī)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究。因此，本文運(yùn)用Maxwell和Simplorer分別對(duì)BLDCM本體和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)建立模型并聯(lián)合仿真。其中，Maxwell主要用來對(duì)電機(jī)、變壓器、激勵(lì)器等進(jìn)行電磁仿真分析，利用Maxwell自帶的RMxprt模塊直接輸入電機(jī)參數(shù)建立電機(jī)的電磁模型，進(jìn)而生成電機(jī)二維模型。Simplorer是用于多物理領(lǐng)域的仿真分析軟件，主要用于電氣、電磁等方面的設(shè)計(jì)和建模仿真，具有強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)電力電子、傳感器、電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)等模塊的聯(lián)合設(shè)計(jì)和仿真分析。相比于單一的Matlab仿真，Maxwell和Simplorer協(xié)同仿真使得系統(tǒng)仿真結(jié)果更加精確、可靠，這也與航空領(lǐng)域?qū)C(jī)載電氣設(shè)備的高精確性要求相契合。

2無刷直流電機(jī)系統(tǒng)組成及數(shù)學(xué)模型

2.1無刷直流電機(jī)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由BLDCM本體、位置檢測(cè)部件、電源、逆變電路、換相器、控制電路等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。電機(jī)控制系統(tǒng)首先利用位置檢測(cè)部件得到霍爾位置方波信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)速計(jì)算后形成速度反饋信號(hào)，再經(jīng)過雙閉環(huán)調(diào)節(jié)得到PWM信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電壓的調(diào)節(jié)。

圖1　無刷直流電機(jī)系統(tǒng)原理

2.2數(shù)學(xué)模型

BLDCM的數(shù)學(xué)模型對(duì)分析系統(tǒng)特性具有重要指導(dǎo)意義，同時(shí)也反映了電機(jī)相電壓、相電流、每項(xiàng)感應(yīng)電勢(shì)之間的函數(shù)關(guān)系。為了方便分析BLDCM數(shù)學(xué)模型，作出如下假設(shè)：① 由磁場(chǎng)脈動(dòng)或交變產(chǎn)生的磁芯損耗忽略不計(jì)；② 電機(jī)鐵心為永磁體，忽略溫度因素；③ 電樞導(dǎo)體均勻分布；④ 逆變器開關(guān)管為理想開關(guān)。

圖2為BLDCM等效電路。從圖中可以看出：電機(jī)相電壓包括相電阻電壓和感應(yīng)電勢(shì)。

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?jī)上嗬@組之間互感(H)；eA，eB，eC是定子每相繞組的感應(yīng)電勢(shì)。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

式中：Te是電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；Ω是電機(jī)機(jī)械角速度(rad/s)。

無刷直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中：TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；J是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；Bv是黏滯摩擦因數(shù)(N·m·s)。

圖2　無刷直流電機(jī)等效電路

3無刷直流電機(jī)系統(tǒng)模型建立及仿真分析

3.1無刷直流電機(jī)Maxwell 2D模型

采用Maxwell自帶的RMxprt模塊，輸入電機(jī)定子鐵芯、定子槽、轉(zhuǎn)子鐵芯、磁極等部件的尺寸，建立電機(jī)模型，并生成Maxwell 2D模型。同時(shí)，設(shè)置電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件、邊界條件、部件材料、繞組和激勵(lì)條件等。無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。為了得到電機(jī)的精確電磁分析結(jié)果，定義邊界調(diào)節(jié)，設(shè)定激勵(lì)源，對(duì)電機(jī)部件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)剖分。BLDCM本體Maxwell二維模型及其網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)要求。

表1　無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3　無刷直流電機(jī)二維模型(左)

設(shè)置求解參數(shù)，求解器為瞬態(tài)場(chǎng)。設(shè)定仿真時(shí)間，進(jìn)行分析自檢，對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁仿真分析，以查看其磁密和磁力線分布、定子感應(yīng)電勢(shì)、繞組磁鏈等分析結(jié)果，便于與實(shí)際的電機(jī)特性進(jìn)行比較。空載運(yùn)行時(shí)的定子感應(yīng)電勢(shì)如圖4所示，可以看出：空載時(shí)電機(jī)定子感應(yīng)電勢(shì)為相位相差120°的梯形波，且存在一定波動(dòng)。

圖4　BLDCM定子感應(yīng)電勢(shì)曲線

3.2無刷直流電機(jī)系統(tǒng)主電路模型

采用Simplorer自帶元件庫(kù)中的相關(guān)元器件構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路模型，如圖5所示，主要包括6個(gè)IGBT，6個(gè)續(xù)流二極管。BLDCM本體模型由Maxwell導(dǎo)入到Simplorer環(huán)境中。與Matlab相比，Simplorer 在對(duì)IGBT仿真時(shí)可以考慮噪聲、開關(guān)損耗、溫度等因素的影響，仿真結(jié)果更加精確。

在Simplorer的元件庫(kù)中IGBT有3種模型，分別為一般模型(average)、基本動(dòng)態(tài)模型(basic dynamic)和高級(jí)動(dòng)態(tài)模型(advanced dynamic)。本文選擇高級(jí)動(dòng)態(tài)模型中的IGBT模型作為BLDCM主電路為三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的功率開關(guān)管，可充分考慮到飛行環(huán)境下噪聲、損耗、溫度對(duì)其的影響。每個(gè)開關(guān)管IGBT的工作順序和持續(xù)時(shí)間由霍爾式位置傳感器檢測(cè)到的磁極與電樞繞組的相對(duì)位置信號(hào)確定，從而控制電機(jī)電樞電流的通斷。在BLDCM運(yùn)行過程中，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)式的磁場(chǎng)，將1個(gè)電周期360°分為6個(gè)節(jié)拍，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)60°電角度為1個(gè)節(jié)拍，逆變電路中的電流相位發(fā)生變化，定子合成磁場(chǎng)狀態(tài)隨之改變。每個(gè)節(jié)拍代表1種狀態(tài)，共有6種狀態(tài)。

3.3控制電路模型

飛機(jī)飛行環(huán)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(jiǎn)便，故本文采用基于PI調(diào)節(jié)的電壓環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)共同構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。相對(duì)于順向作用的開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制的控制精度高，可以根據(jù)系統(tǒng)出現(xiàn)的誤差信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)節(jié)。電壓環(huán)(速度環(huán))和轉(zhuǎn)矩環(huán)(電流環(huán))的Simplorer模型如圖6所示。電壓環(huán)即速度環(huán)，通過霍爾傳感器得到轉(zhuǎn)子磁極和電樞繞組相對(duì)位置信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)速計(jì)算得到轉(zhuǎn)速反饋電信號(hào)speed_back，與參考信號(hào)speed_ref形成誤差信號(hào)。在PI調(diào)節(jié)模塊中設(shè)置比例積分調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，作為L(zhǎng)IMIT模塊的輸入信號(hào)形成轉(zhuǎn)矩環(huán)的參考信號(hào)。在電流PI調(diào)解中，電流參考信號(hào)分別與電機(jī)的三相電流信號(hào)AM_a，AM_b，AM_c形成誤差信號(hào)，此誤差信號(hào)經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制(PWM)形成方波信號(hào)，經(jīng)過換相器控制IGBT的通斷，從而控制驅(qū)動(dòng)電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。BLDCM 邏輯換相模塊如圖7所示。

圖5　BLDCM驅(qū)動(dòng)電路模型

圖6　電壓環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)的Simplorer模型

3.4邏輯換相模塊

多電飛機(jī)對(duì)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和精確性要求非常高，要求BLDCM能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作，而這與逆變器的換相準(zhǔn)確可靠分不開。逆變器的換相是由在轉(zhuǎn)子上的霍爾傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子磁極與電樞繞組相對(duì)位置信號(hào)和PWM信號(hào)通過換相邏輯電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)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(cè)單元檢測(cè)到的霍爾位置信號(hào)(HA、HB、HC)和電壓環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)共同調(diào)節(jié)得到的PWM方波信號(hào)作為輸入信號(hào)，以通過邏輯變換形成6路電機(jī)換相脈沖和速度脈沖作為輸出信號(hào)，控制開關(guān)管的通斷。

3.5仿真結(jié)果

通過Maxwell和Simplorer將上述各個(gè)模塊的仿真模型相互連接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，其系統(tǒng)模型如圖8所示。設(shè)置無刷直流電機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)：定子繞組電阻R=1 Ω，額定電壓為270 V，額定轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，定子繞組電感L=0.02 H，極對(duì)數(shù)p=2，額定頻率為50 Hz，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.000 8 kg·m2，阻尼系數(shù)Bv=0.000 1 N·m·s，PI調(diào)節(jié)系數(shù)Kp=5，Ki=0.01。圖9、10分別表示了BLDCM轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速仿真波形。由仿真波形可以清楚地看到：在電機(jī)通電啟動(dòng)的瞬間，由于BLDCM定子與轉(zhuǎn)子之間的氣息磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)梯形狀，其啟動(dòng)電流很大，故電機(jī)轉(zhuǎn)矩很大，轉(zhuǎn)速迅速增加；大約在25 ms時(shí)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速趨于動(dòng)態(tài)平衡。由此可見，電機(jī)的逆變電路、控制器、換相器等的設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)期的要求，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)模型

圖9　無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖10　無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

4 結(jié)束語

本文以無刷直流電機(jī)(BLDCM)為切入點(diǎn)，對(duì)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性及其組成進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，詳細(xì)討論了無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和BLDCM的數(shù)學(xué)模型，在Maxwell環(huán)境中對(duì)BLDCM本體進(jìn)行二維模型建立和電磁分析。以Simplorer為仿真平臺(tái)對(duì)電機(jī)控制器、逆變電路、換向器等進(jìn)行建模仿真，并實(shí)現(xiàn)與Maxwell的聯(lián)合仿真，最后得出相應(yīng)的仿真模型和結(jié)果，驗(yàn)證了整體設(shè)計(jì)方案的正確性。與單一地利用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真相比，Maxwell和Simplorer聯(lián)合仿真的精度有所提高。此外，本文方法為無刷直流電機(jī)在多電飛機(jī)領(lǐng)域更好、更有效的利用提供了仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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(責(zé)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(hào)：1674-8425(2016)02-0127-06

中圖分類號(hào)：TM33;V242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：609國(guó)防基礎(chǔ)預(yù)研基金資助項(xiàng)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(jī)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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.