CN102224673A - 结合在电驱动的飞行控制执行机构之内或附近的电能存储装置 - Google Patents

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Abstract

提供与飞行控制执行机构配合使用的设备以及用于装配它们的方法。该设备包括电机驱动系统(100)和控制单元。电机驱动系统(100)包括基于电容器的能量存储装置(120)，该能量存储装置(120)配置成在执行机构之内或附近存储和提供能量。控制单元耦合到电机驱动系统，并且配置成便于在执行机构之内或附近管理电力。

Description

结合在电驱动的飞行控制执行机构之内或附近的电能存储装置
技术领域
一般来说，本发明涉及飞机发动机电力系统，更具体来说，涉及用于向电驱动的飞行控制执行机构提供能量并且在电驱动的飞行控制执行机构之内或附近存储能量的方法和设备。
背景技术
一些已知的飞机使用电驱动的飞行控制执行机构。虽然电驱动的执行机构比液压或气压驱动的执行机构更复杂并且更不用户友好，但是与液压或气压驱动的飞行控制执行机构相比，电驱动的飞行控制执行机构一般重量更轻，需要更少维护，并且更可靠。但是，已知的电力系统将再生瞬态能量传回电力系统中，这增加一次配电母线的电压。一次配电母线的高电压可使母线电压超出MIL-STD-704规范，损坏母线上的电气装置，或者在飞机上产生过多热量，这些情况中的每一种均可能危害飞行任务。
为了便于存储瞬态能量，一些已知的飞机使用基于集中的电池或者基于电池/超级电容器混合的能量存储装置来便于吸收从飞行控制执行机构返回的过剩能量，并且在执行机构需要能量时又将能量释放回到执行机构。但是，使用集中的能量存储装置可引起电力系统的可靠性问题。例如，一些已知的电池具有敏感工作温度，在没有恒定准确温度控制的情况下可能引起火灾。对于另一个示例，一些已知的电池具有敏感的电池使用寿命，倾向于某种速率和深度的充电和放电，特别是当用于要求高充电速率和不规则模式的充电和放电周期的系统时。因此，需要提供一种便于存储从执行机构返回的过剩能量的更可靠的电力系统。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于装配与飞行控制执行机构配合使用的设备的方法。该方法包括：提供包含基于电容器的能量存储装置的电机驱动系统，该能量存储装置配置成在执行机构之内或附近存储和提供能量；以及将控制单元耦合到电机驱动系统，该控制单元配置成便于在执行机构之内或附近管理电力。
在另一个实施例中，提供一种与飞行控制执行机构配合使用的电机驱动系统。电机驱动系统包括：降压-升压转换器，其中包括第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管和电感器；以及基于电容器的能量存储装置，该能量存储装置配置成在执行机构之内或附近存储和提供能量，所述降压-升压转换器配置为对能量存储装置充电和放电。
在又一个实施例中，提供一种与飞行控制执行机构配合使用的设备。该设备包括：包含基于电容器的能量存储装置的电机驱动系统，能量存储装置配置成在执行机构之内或附近存储和提供能量；以及耦合到电机驱动系统的控制单元，该控制单元配置成便于在执行机构之内或附近管理电力。
附图说明
图1是飞行控制执行机构的电机驱动系统的示意图示；
图2是与图1所示电机驱动系统配合使用的控制单元的示意图示；以及
图3是图1所示电机驱动系统的另一个实施例的示意图示。
具体实施方式
本文所述的系统和方法便于在执行机构之内或附近本地存储过剩能量，并且便于降低返回给一次配电母线的过剩能量的量。因此，电驱动的执行机构应当对电力系统的其余部分具有极小或者没有影响。
图1是耦合到一次配电系统(未示出)的飞行控制执行机构(未示出)的电机驱动系统100的示意图示。
在示范实施例中，控制系统100包括：逆变器110，又称作全波桥，其中包括六个绝缘栅双极晶体管(IGBT，未编号)；直流(DC)链路滤波器120，其中包括电容器组130和多个电感器140a、140b；以及支路，其中包括耦合到基于电容器的能量存储装置160的降压-升压转换器150。
在示范实施例中，能量存储装置160配置成具有高能量密度、高功率密度和高温度容限。这些特性便于在能够装入执行机构之内或者附近的健壮实用的小能量存储装置160中存储能量。在一个实施例中，基于电容器的能量存储装置160使用由GE Global Research Center开发的超膜电容器技术。
在示范实施例中，降压-升压转换器150包括上电力开关170a、下电力开关170b和电感器180。在示范实施例中，控制系统100耦合到执行机构(未示出)的永磁电机的定子绕组190。要注意，虽然示范实施例包括例如其中包含耦合到三相定子绕组190的六个IGBT的三相逆变器110，但是组件的数量或者组件的具体特征并不是要通过任何方式来限制本发明。
在操作期间，在示范实施例中，降压-升压转换器150便于在执行机构之内或附近本地存储过剩或瞬态能量。此外，降压-升压转换器150便于降低返回给一次配电的电压母线(未示出)的过剩能量的量。
更具体来说，在执行机构再生模式的操作期间，降压-升压转换器150配置成作为降压转换器来操作，能量存储装置160配置成处于充电模式，以及下电力开关170b断开。更具体来说，当上电力开关170a接通时，又称作一次配电母线的一次配电系统的电压母线(未示出)通过上电力开关170a来提供电流以激励电感器180并且对能量存储装置160充电。当上电力开关170a断开时，并且当电感器180已经存储能量时，电感器180通过下电力开关170b中的二极管(未编号)提供电流以对能量存储装置160连续充电。
在执行机构可操作但非再生模式的操作期间，降压-升压转换器150配置成作为升压转换器来操作，能量存储装置160配置成处于放电模式，以及上电力开关170a断开。当下电力开关170b接通时，能量存储装置160提供电流以激励电感器180，并且电流通过下电力开关170b流回到能量存储装置160的负端子。当下电力开关170b断开时，续流电流继续通过上电力开关170a中的二极管(未编号)，从而对DC链路滤波器120中的电容器组130充电。
图2是便于控制降压-升压转换器150以降低执行机构对一次配电的电压母线的影响的控制单元200的示意图示。在示范实施例中，控制单元200包括高通滤波器210、功率-电流转移220、第一比例积分(PI)控制器230、第二PI控制器240、电容器电压去耦块250以及电压-脉宽调制(PWM)比率转移260。在示范实施例中，高通滤波器210配置成确保降压-升压转换器150便于处理动态负载瞬变。在示范实施例中，功率-电流转移220配置成将功率命令转换成便于控制能量存储装置160的电流的命令。在示范实施例中，第一PI控制器230配置成调节进出能量存储装置160的电流，以及第二PI控制器240配置成将能量存储装置160的平均电压保持在预期水平。在示范实施例中，电容器电压去耦块250配置成确定电力开关170a和170b处的预期电压，以便在电感器180两端产生指定电压。在示范实施例中，电压-PWM比率转移260配置成将电压命令转换成便于控制电力开关170a和170b的占空度。
在操作期间，在示范实施例中，降压-升压转换器150处理具有高于高通滤波器210的截止频率的频率分量的负载电流瞬变。在示范实施例中，高通滤波器210便于确保降压-升压转换器150处理动态负载电流瞬变。此外，由于能量存储装置160配置成存储有限量的能量，所以高通滤波器210便于管理由降压-升压转换器150提供以操作逆变器110的电力。例如，在示范实施例中，逆变器110需要来自一次配电母线和能量存储装置160中的至少一个的瞬时有效功率P*。此外，在示范实施例中，逆变器110通过经由例如来自定子绕组190的再生电力捕获动能，将瞬时有效功率P*提供给能量存储装置160。
更具体来说，引导有效功率P*通过高通滤波器210。为了确定便于从一次配电母线转移逆变器110负载瞬变的能量存储装置160的电流icap *，将经过电流转移220的信号Pcorr *除以能量存储装置160的电压Vcap。从所测量电流icap中减去所确定电流icap *，从而产生电流误差信号ierror。误差信号ierror经过第一PI控制器230，从而确定使误差信号ierror快速达到零的电感器180的预期电压VL *。电容器电压去耦块250确定降压-升压转换器150的开关点处的会在电感器180两端产生指定电压VL的预期电压。电流转移220的输出除以一次配电母线的电压Vbus，从而计算出将要用于控制电力开关170a和170b的在范围0-1之内的占空度。取决于电流误差信号ierror的极性，上电力开关170a或者下电力开关170b接通，而其中另一个断开。此外，第二PI控制器240便于通过将校正因数加入电流误差信号ierror来保持能量存储装置160的预期电压。
图3是图1所示的控制系统100的另一个实施例300的示意图示。在图3所示的实施例中，控制系统300包括：逆变器310，又称作全波桥，其中包括六个IGBT(未编号)；超膜电容器320；以及软启动电路330，其中包括接触器340、电力开关350、电感器360和二极管370。电容器320配置成充当直流链路和能量存储装置。在示范实施例中，软启动电路330便于对电容器320进行软充电，并且接触器340配置成当电容器320被完全充电时闭合。在示范实施例中，控制系统300耦合到执行机构(未示出)的永磁电机的定子绕组380，执行机构需要来自电容器320的电力并且向电容器320提供电力。控制系统300配置成提供用于在执行机构之内或附近本地存储过剩能量的充分能量吸收和提供能力。
本文所述的用于结合在电驱动的飞机控制执行机构之内或附近的电能存储装置的方法、设备和系统并不局限于本文所述的具体实施例。本文所述的电能存储系统便于在执行机构之内或附近本地存储过剩能量。本文所述或所示的方法、设备或系统的实施并不局限于飞行驱动执行机构。而是可独立地并且与本文所述的其它组件和/或步骤分开地来使用本文所述或所示的方法、设备和系统。
本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构要素，则它们意在落入权利要求的范围之内。
虽然按照各种具体实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员会知道，在权利要求的精神和范围之内，可经过修改来实施本发明。

Claims (20)

1.一种用于装配与飞行控制执行机构配合使用的设备的方法，所述方法包括：
提供电机驱动系统，所述电机驱动系统包括基于电容器的能量存储装置，所述能量存储装置配置成在所述执行机构之内或附近存储和提供能量；以及
耦合控制单元与所述电机驱动系统，所述控制单元配置成便于在所述执行机构之内或附近管理电力。
2.如权利要求1所述的用于装配设备的方法，其中，所述提供电机驱动系统还包括：
提供还包括降压-升压转换器的电机驱动系统，所述降压-升压转换器包括第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管和电感器，所述降压-升压转换器配置为对所述能量存储装置充电和放电。
3.如权利要求2所述的用于装配设备的方法，其中，所述提供电机驱动系统还包括：
提供还包括所述第一绝缘栅双极晶体管的电机驱动系统，所述第一绝缘栅双极晶体管串联耦合到并联电路，所述并联电路包括与串联耦合到所述能量存储装置的所述电感器并联耦合的所述第二绝缘栅双极晶体管。
4.如权利要求2所述的用于装配设备的方法，其中，所述提供电机驱动系统还包括：
提供还包括直流链路电容器、逆变器和定子绕组的电机驱动系统；以及
将所述直流链路电容器和所述逆变器耦合到所述定子绕组，所述直流链路电容器和所述逆变器中的每一个与所述降压-升压转换器并联耦合。
5.如权利要求2所述的用于装配设备的方法，其中，所述耦合控制单元还包括：
耦合包括高通滤波器的控制单元，所述高通滤波器配置成确保所述降压-升压转换器便于处理动态负载瞬变。
6.如权利要求1所述的用于装配设备的方法，其中，所述耦合控制单元还包括：
耦合还包括第一比例积分控制器和第二比例积分控制器的控制单元，所述第一比例积分控制器配置成调节进出所述能量存储装置的电流，以及所述第二比例积分控制器配置成保持所述能量存储装置的实质上稳定的电压。
7.如权利要求1所述的用于装配设备的方法，其中，所述提供电机驱动系统还包括提供还包括耦合到所述能量存储装置的软启动电路的电机驱动系统，其中所述软启动电路包括接触器，所述接触器配置成当所述能量存储装置被完全充电时闭合。
8.一种与飞行控制执行机构配合使用的电机驱动系统，包括：包括第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、电感器的降压-升压转换器；以及基于电容器的能量存储装置，所述能量存储装置配置成在所述执行机构之内或附近存储和提供能量，所述降压-升压转换器配置为对所述能量存储装置充电和放电。
9.如权利要求8所述的电机驱动系统，其中，所述第一绝缘栅双极晶体管串联耦合到并联电路，所述并联电路包括与串联耦合到所述能量存储装置的所述电感器并联耦合的所述第二绝缘栅双极晶体管。
10.如权利要求8所述的电机驱动系统，还包括与所述降压-升压转换器并联耦合的直流链路电容器。
11.如权利要求8所述的电机驱动系统，还包括与所述降压-升压转换器并联耦合的逆变器和定子绕组。
12.如权利要求8所述的电机驱动系统，其中，所述降压-升压转换器耦合到控制单元，所述控制单元包括配置成确保所述降压-升压转换器便于处理动态负载瞬变的高通滤波器。
13.如权利要求8所述的电机驱动系统，还包括耦合到所述能量存储装置的软启动电路，其中所述软启动电路包括接触器，所述接触器配置成当所述能量存储装置被完全充电时闭合。
14.一种与飞行控制执行机构配合使用的设备，所述设备包括：
包括基于电容器的能量存储装置的电机驱动系统，所述能量存储装置配置成在所述执行机构之内或附近存储和提供能量；以及
耦合到所述电机驱动系统的控制单元，所述控制单元配置成便于在所述执行机构之内或附近管理电力。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述电机驱动系统还包括降压-升压转换器，所述降压-升压转换器包括第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管和电感器，所述降压-升压转换器配置为对所述能量存储装置充电和放电。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述第一绝缘栅双极晶体管串联耦合到并联电路，所述并联电路包括与串联耦合到所述能量存储装置的所述电感器并联耦合的所述第二绝缘栅双极晶体管。
17.如权利要求15所述的设备，其中，所述电机驱动系统还包括耦合到定子绕组的直流链路电容器和逆变器，所述直流链路电容器和所述逆变器中的每一个与所述降压-升压转换器并联耦合。
18.如权利要求14所述的电机驱动系统，其中，所述电机驱动系统还包括降压-升压转换器，其中所述控制单元包括配置成确保所述降压-升压转换器便于处理动态负载瞬变的高通滤波器。
19.如权利要求14所述的电机驱动系统，其中，所述控制单元还包括第一比例积分控制器和第二比例积分控制器，所述第一比例积分控制器配置成调节进出所述能量存储装置的电流，所述第二比例积分控制器配置成保持所述能量存储装置的实质上稳定的电压。
20.如权利要求14所述的设备，其中，所述电机驱动系统还包括耦合到所述能量存储装置的软启动电路，其中所述软启动电路包括接触器，所述接触器配置成当所述能量存储装置被完全充电时闭合。
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