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飛機之電力電子即時模擬與測試
 

【作者: Shane O’Donnell】   2018年01月12日 星期五

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今天的飛機,液壓與氣壓的致動系統已逐漸由電氣系統取代。主要飛行控制介面的致動器(例如副翼與升降舵),以及起落架的致動器、煞停系統、與燃料輸送系統現在皆由電力電子驅動。而驅動這些致動器的馬達必須符合體積小、重量輕、成本低等幾項要求。它們還需要在正常的飛行運作以及面臨各式各樣故障的情況下可靠地運轉達50,000-15,000小時。


為了達到這些條件,Microsemi Aviation Center of Excellence正在開發一系列以電力核心模組(power core module, PCM)為基礎的Intelligent Power Solutions (IPS),其中的設計、測試皆透過MATLAB與Simulink來進行。藉由模型化基礎設計(Model-Based Design),可以在開發的早期階段執行即時的馬達驅動硬體與控制軟體的可靠度測試,進而模擬故障情形、優化性能、降低風險,推動我們達到設計上的極限。


建立PCM模型與執行閉路模擬

完整的電力電子控制單元包含用於脈寬調變(pulse width modulation, PWM)控制、資料轉換、及通訊的功能,過濾與保護、一個具有三個相位的永磁同步馬達(permanent magnet synchronous motor, PMSM)驅動、一個控制模組、一個監測模組(圖1)。馬達的電流、馬達速度、致動器位置等資料皆被輸入進監測模組,控制模組則直接從PCM使用這些資料來讓馬達加快或放慢速度。因為這是一項新的設計,需要在沒有現行版本的監測模組或控制模組可供測試的情況下開發PCM。



圖1 : 一個較大的電力電氣控制單元內的電力核心模組架構圖
圖1 : 一個較大的電力電氣控制單元內的電力核心模組架構圖

我們在Simulink建立PCM模型,並利用電力系統模擬模塊組(Simscape Power Systems)和電子模擬模塊組(Simscape Electronics)來建立三個相位的PMSM驅動及電子零件及控制與監測模組。接著執行閉路模擬來制定系統的電氣和機械行為特性。


接下來,利用Simulink-C轉碼器(Simulink Coder)、Simulink即時控制工具(Simulink Real-Time)將三個模型佈署到一個在Speedgoat目標系統內的Spartan-6 FPGA(圖2)。這些模組透過一個低電壓差分信號(low-voltage differential signaling, LVDS)介面來相互溝通。


在其中一個測試的設置,PCM控制器與其他模組都是執行在目標硬體上以進行即時的測試。而在另一個設置,將控制器佈署在PCM上生產用的ProASIC3 FPGA,並以執行控制與監測模組功能的目標硬體系統進行硬體迴路測試。利用這兩項設置來測試正常情況的運作。我們也測試控制器對幾種故障情形的回應(包含馬達故障)來進行故障模式、效果和重要的分析。



圖2 : Speedgoat設置與PCM硬體原型
圖2 : Speedgoat設置與PCM硬體原型

以現實世界的條件測試真實世界飛行剖面

為了說明PCM在現實飛行剖面下的運行,我們開發了Simulink與事件導向系統模擬軟體(Stateflow)模型,它可以將飛行特性轉譯為致動系統的電氣與機械條件。比如馬達的電流對副翼的致動的需求,會因飛機經過幾種典型的飛行狀態—滑行、起飛、攀升、航行、降落、進場、與著陸—而有顯著差異。我們以Simulink和Stateflow執行的模擬任務與飛行剖面模型幫助我們精確地評估馬達電流對致動器及其他特定飛機上的零件的需求(圖3)。



圖3 : 典型單走道飛機的飛行任務馬達電流圖
圖3 : 典型單走道飛機的飛行任務馬達電流圖

為了進行可靠度測試,我們依飛行剖面模擬結果產生了飛機專屬的馬達電流需求。並利用環境的密閉空間形成不同的氣壓與溫度。舉例來說,波士頓在夏天的週圍的溫度會比杜拜的溫度低上許多,這是進行測試時必須考慮到的。透過環境的密閉空間,可以讓系統暴露於氣溫攝氏55度以及氣壓低於0.2 bar (也就是在39,000呎或更高的高度常見的條件)。以150,000飛行時數代表的長期的可靠度測試需要經過嚴密監測並對結果進行徹底的分析。


我們可以在MATLAB完成這些監測及資料的分析。


我們學到了什麼

透過執行大規模的建模與模擬,我們建立了帶有以碳化矽(silicon carbide, SiC) 金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)為基礎的馬達驅動的單元,可於攝氏溫度大約40°的環境下操作,比帶有絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的相似單元的可操作溫度更低。


由於在當今體積較小、重量較輕的硬體設計還沒有辦法進行主動式冷卻,妥善管理裝置操作溫度成為確保裝置能夠可靠地運行150,000飛行時數的關鍵因素。模擬亦顯示IGBTs的功耗比起SiC MOSFETs超出許多(圖四)。這些知識提供我們PCM決策的訊息,並指出SiC MOSFETS因產業逐漸轉往使用更多電傳飛控(fly-by-wire control)的更為電氣化的飛行器的原因,開始變成一項能被使用的技術。



圖4 : 圖表顯示IGBT的三相橋功耗隨著時間的變化(上)及SiC MOSFET三相橋的功耗隨時間的變化(下)
圖4 : 圖表顯示IGBT的三相橋功耗隨著時間的變化(上)及SiC MOSFET三相橋的功耗隨時間的變化(下)

藉由Simulink、Simulink即時控制工具(Simulink Real-Time)、Speedgoat目標硬體可以在較早的設計階段論證特定應用的可靠度,不需要將整個單元安裝到實際的飛行器上。透過模型化基礎設技,可以進持續進行驗證及有效性檢驗,而不需要等到電力電子控制單元的所有層面都開發完成。


有了即時模擬的結果,可以持續縮小單元的尺寸、重量及降低成本,因此達到PCM的可靠度目標。


(本文由鈦思科技提供;作者Shane O’Donnell任職於Microsemi公司)


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