高速电机驱动飞机环控系统仿真研究

王 佩 周洁敏 郑 罡 / WANG Pei ZHOU Jiemin ZHENG Gang

(南京航空航天大学，南京 211106)

0 引言

多电飞机(More Electric Aircraft，以下简称MEA)旨在更多地使用电能代替传统液压、气压和机械能，是先进飞机发展的方向。环境控制系统作为飞机重要组成部分，必须能够应对不同温度、湿度条件，确保机组人员和乘客享受安全舒适的环境，使机载仪器设备精确有效地工作[1]。

环境控制系统的核心是空气循环制冷系统(Air Cycle Refrigeration System，以下简称ACRS)，传统的空气循环制冷系统主要是空气循环机(Air Cycle Machine，以下简称ACM)和涡轮压气机组。传统单循环空气循环制冷系统采用发动机引气方式调节空气，这种方式效率低，而且需要大量的环境空气用于冷却工质空气，增大了飞行阻力。因此，先进的空气循环制冷系统应采用闭环式结构，提高对引气的利用率，降低能耗。

高速电机(High Speed Motor，以下简称HSM)及其驱动技术发展日益成熟[2]，研究者对比HSM和ACM的旋转方式后，认识到将HSM应用于ACM的可能，即ADM (ACM Driven by HSM，以下简称ADM)技术，由HSM部分或全部消除传统的ACRS对高压气源引气的依赖。采用高速电机驱动压气机组件结构简单、尺寸小，便于在现有的ACRS系统的空间设计中安装，同时不会造成整个系统结构的大范围改动。本文选择永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，以下简称PMSM)，因其无需励磁绕组和励磁装置，无励磁功率消耗，相同功率等级的条件下体积较小，适用于航空等对可靠性要求很高的高速运行场合[3-4]。文献[5]提出不同高速电机驱动策略，通过对比分析矢量控制、直接转矩控制等控制策略，选择SVPWM矢量控制驱动策略，能达到减小电能损耗、提高电网品质和系统工作效率、增强系统稳定性和安全性的目的。

1 多电飞机环控系统

波音787作为典型的多电飞机，首次将电能作为环境控制系统的能量来源，采用高速电机驱动压气机，开辟了大型客机采用电环控系统的先例。参考文献[6]对波音787电驱动环控系统进行了详细介绍，其结构示意图如图1所示。

图1 波音787电动环境控制系统

波音787配备两套空调组件，组件结构相同，图1所示是一套组件的示意图。每套组件具有两台电驱动的电机压气机，每一台由125 kW的永磁调速电动机驱动，实现对永磁调速电机的控制。经过电驱动的压气机压缩后输出的空气一部分传输到臭氧转换器，经过臭氧转换器的转换获得部分冲压空气；另一部分传输到热交换器，空气经过两级热交换器输出后与再循环空气混合获得符合客舱温度和压力要求的空气，实现了对冲压空气的重复利用[7]。

根据波音787电动环境控制系统，设计了由高速电机驱动的闭式 ACRS系统，如图2所示。系统包含初、次级压气机和一个单级涡轮冷却器。压气机由高速电机驱动，首先对空气进行初级处理，提高温度和压力，经过次级压气机再次处理流向散热器，环境空气不断地送入散热器带走一部分热量，空气温度降低，涡轮膨胀做功，进一步处理，输出的空气传输至回热器，回热器中的气体包含外部空气和部分客舱回气，保证送向座舱的空气温度不会太低，混合空气一部分流向被冷却舱室，多余空气再流向初级压气机构成封闭式循环，很大程度上提高了引气的利用率，有效减少了燃油损耗。

图2 高速电机驱动闭式ACRS示意图

本文所讨论的电动环控系统由三相整流器、逆变器、PMSM和电动压气机四部分组成，如图3所示，三相整流器属于电源模块，负责将飞机电网传输的230 V变频交流电转换成540 V高压直流电为驱动电路供电，PMSM和压气机负载同轴旋转，便于高速电机向压气机传递能量。

图3 电动环控系统组成结构

2 PMSM控制系统

本文采用的高速电机为PMSM，其采用永久磁铁励磁，无电刷和滑环，其机械结构简单，易于检测，可靠性好，电机无励磁损耗，功率因数接近1，能够承受较大的过载电流，抗干扰能力强，同等功率等级下体积更小，适用于航空电机[8]。控制方法采用SVPWM技术，即将形成旋转磁场转化为形成旋转的电压空间矢量的问题。将逆变器和电机看作一个整体，SVPWM控制通过对逆变器开关器件的导通和关断时间的控制，产生不同的电压矢量，确保电机工作过程中产生的磁链接近理想磁链圆[9]。

如图4所示，PMSM的控制系统由三相逆变器、PMSM、控制电路和速度与位置传感器构成。ASR、ACR组成双闭环控制系统，即速度环和电流环。内环系统性能决定外环系统性能，因此，电流环控制器的设计是电动环控系统具有良好性能的关键。

图4 PMSM矢量控制框图

采用id=0的矢量控制策略，具体工作原理如下：首先输入指定转速，与实际转速比较，实际信号包含三相电流信号经过Clark和Park变换值和传感器检测得到的转速信号n和位置信号θ。得到误差信号后，传递给速度控制器，控制器输出电流参考值。d、q轴电流参考信号与电机实际输出的电流信号进行比较，经过电流控制器，处理后的信号经过坐标变换，得到Uα、Uβ，生成 PWM(Pulse Width Modulation)调制波，输入IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)逆变器，控制电机旋转，从而使负载达到指定转速，获得符合要求的压气机增压比和绝热效率。

图5为电动压气机驱动控制系统双闭环控制模型，其中：电流环fi=5 kHZ，速度环fn=1 kHZ。取电流反馈放大系数β=1，速度反馈放大系数α=1，逆变器的放大系数KPWM=1，电流环的周期Toi=0.000 2 s，速度环周期为Ton=0.001 s，逆变器的时间常数为TPWM=0.000 05 s。

图5 双闭环控制模型

3 压气机数学模型

压气机工作状态受到多种因素的影响，如所带负载的变化，运行环境温度或者压强的变化，压气机部件的损伤等，影响压气机的基本特性参数(压比、效率、转速和流量)随着外界因素的变化而变化，压气机模型的处理方法通常情况是使用压气机特性曲线[10]。因此，这里所说的压气机的数学模型是基于其稳态特性建立的，式(1)～(3)分别表示压气机的出口温度Tcout、功率Pc和负载转矩Td。

(1)

(2)

(3)

式中：cp为气体比容；G为压气机进气口空气流量；n为压气机和高速电机同轴旋转的转速。

4 Simulink软件建模与仿真

4.1 电动环控系统建模

电动环控系统由三个小模块组成：驱动电源模块(三相电压整流器)、驱动电机模块(永磁同步电机)和负载模块(压气机)。图6是在Matlab/Simulink软件平台上设计的系统整体模型。

图6 电动环境控制系统整体模型

图6中：f为电网电压频率；n为驱动电机转速；Gc为压气机进口空气流量；pic为压气机的增压比；ηc为压气机负载的绝热效率。rectification为电压整流器模块，将230 V变频交流的电网电压转换成540 V的高压直流，为大功率负载提供足够大的稳定功率。PMSM-control为PMSM控制模块，是系统的核心。compressor为压气机负载模型，该模型是基于压气机特性曲线建立的，采用神经网络的方式处理数据[10]。三者详细仿真模型分别见图7～图9。

图7 三相电压型整流器仿真模型

图8 PMSM控制系统模型

图9 压气机负载仿真模型

4.2 系统Simulink仿真

根据所建模型，选取如表1所列的电动机仿真参数进行仿真。

表1 电动机仿真参数

仿真结果如图10所示。

图10反映出电机起动时力矩较大，振幅偏高，但随着电机的转速达到目标值，力矩收敛，系统在0.08 s趋于稳定，稳定后转速约为10 000 r/min，可见系统响应速度较快，超调量也比较小，此时压气机正常运行。

在工作时间为0.1 s处，加入负载为的机械负载，电机的工作特性曲线如图11所示。

突加负载后，系统发生震荡，持续时间约为0.05 s，迅速恢复稳定。观察转速波形，几乎趋于稳定值，没有因为突加负载而出现明显的变化，表明系统稳定，调节能力强。

(a) 电动机电磁转矩波形

(b) 电动机转速波形

(c) 压气机增压比曲线

(d) 压气机绝热效率曲线

(a) 电动机电磁转矩波形

(b) 电动机转速波形图11 t = 0.1 s时突加负载环控系统仿真结果

5 结论

电动环控控制系统采用高速电机驱动压气机，取消发动机引气，简化飞机结构，减少燃油消耗，为飞机飞行效率、可靠性、维修性、节能减排的实现奠定了理论基础。本文确定了高速电机和压气机负载的建模方式，根据电动环境控制系统的负载功率特性，进行控制策略的研究，并设计了双闭环控制系统，使其具有较强稳态和动态性能。

研究过程中为简化系统模型，采用基于压气机特性曲线的负载建模方式，与传统的机械化结构模型相比，精确度较低。优化压气机负载模型是环境控制系统研究的重点之一。电动环境控制系统作为大功率负载，其负载特性对电网品质影响较大，为提高系统鲁棒性，可采用新型控制策略如最大电流转矩比控制、滑模变结构控制等，对比不同控制策略对电驱动空气循环系统动性能的改善和驱动功率等级。