CN108449000B - 一种飞机起动发电系统模拟架构及硬件设计原理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种飞机起动发电系统模拟架构及硬件设计原理电路，可以模拟真实飞机起动发电系统起动和发电工况下的性能，通过修改起动发电系统特性控制模型中的控制算法，可以调整不同的控制策略，还可以调整起动发电机仿真模型的参数，以应对不同参数的真实电机，从而验证不同控制策略和不同参数的电机的直流起动发电系统的可实现性，不仅如此，本发明实施例还可以单独用以模拟永磁同步电机的起动和发电特性，本发明实施例可以很方便的验证采用直流起动发电架构(同步电机+整流器)的飞机的电气系统，大大缩短了飞机起动发电系统的实验论证时间并节省了成本。

Description

一种飞机起动发电系统模拟架构及硬件设计原理电路
技术领域
本发明实施例涉及航空电气系统技术领域，尤其涉及一种飞机起动发电系统模拟架构及硬件设计原理电路。
背景技术
起动发电系统是飞机电气系统中的重要组成部分，包含起动发电机和起动发电机控制器等设备。
传统的飞机主要采用115VAC发电体制，B787的起发电机发电电压为230VAC，目前飞机尚未采用540VDC高压直流发电体制，随着飞机用电量越来越大，对功率密度要求越来越高，对安全余度要求也越来越高，540VDC高压直流发电体制的优势也会慢慢的显现。
无论对于军用飞机还是民用飞机，一款新型的起动发电系统进入型号设计之前都要进行实验论证。而在实验论证阶段，采用真实电机来进行实验研究有两个缺点：一是开发周期长，一款电机从设计到制造需要几年的时间，而且需要耗费大量资金；二是一款电机对应一个型号，当飞机型号发生变化，原来的电机难以满足实验的需求。
发明内容
本发明提供一种飞机起动发电系统模拟架构及硬件设计原理电路，以缩短飞机起动发电系统的实验论证时间。
第一方面，本发明实施例提供了一种飞机起动发电系统模拟架构，包括：起动发电控制器模拟器、起动发电机模拟器和特性控制器，所述特性控制器包括控制器模拟器特性控制模型和起动发电机仿真模型，所述起动发电机模拟器包括定子模拟器、电流采样电路、电压采样电路和能量回收装置；
所述起动发电控制器模拟器、所述定子模拟器和能量回收装置依次连接，所述控制器模拟器特性控制模型与所述起动发电控制器模拟器连接，所述起动发电机仿真模型与所述定子模拟器连接，所述电流采样电路和所述电压采样电路分别与所述定子模拟器连接，所述电流采样电路用于检测所述定子模拟器端口的实测电流，所述电压采样电路用于检测所述定子模拟器端口的实测电压；
所述起动发电控制器模拟器的输入端接入外部电源，所述控制器模拟器特性控制模型用于根据其内设的控制算法控制所述起动发电控制器模拟器的输出电压为目标电压，所述起动发电机仿真模型用于基于所述实测电压根据其内设的计算算法计算获得所述定子模拟器端口的参考电流，并生成控制信号发送至所述定子模拟器，使得所述定子模拟器输出实测电流值跟踪所述参考电流；
所述能量回收装置用于当所述定子模拟器模拟起动发电机起动工况时，将所述定子模拟器端口的电能吸收，当所述定子模拟器模拟起动发电机发电工况时，为所述定子模拟器供电以使得所述定子模拟器输出电能。
第二方面，本发明实施例还提供了一种模拟飞机起动发电系统的硬件设计原理电路，包括上述的飞机起动发电系统模拟架构。
本发明实施例提供的飞机起动发电系统模拟架构及硬件设计原理电路，可以模拟真实飞机起动发电系统起动和发电工况下的性能，通过修改起动发电系统特性控制模型中的控制算法，可以调整不同的控制策略，还可以调整起动发电机仿真模型的参数，以应对不同参数的真实电机，从而验证不同控制策略和不同参数的电机的直流起动发电系统的可实现性，不仅如此，本发明实施例还可以单独用以模拟永磁同步电机的起动和发电特性。本发明实施例可以很方便的验证采用直流起动发电架构(同步电机+整流器)的飞机的电气系统，大大缩短了飞机起动发电系统的实验论证时间并节省了成本。
附图说明
图1是本发明实施例的一种飞机起动发电系统模拟架构的结构示意图；
图2是本发明实施例的另一种飞机起动发电系统模拟架构的结构示意图；
图3是本发明实施例的一种飞机的直流起动发电系统的原理架构示意图；
图4是本发明实施例的另一种飞机起动发电系统模拟架构的结构示意图；
图5是本发明实施例的仿真示例中从起动发电机仿真模型中提取出的电机当前转速在起动阶段和发电阶段的波形图；
图6是本发明实施例的仿真示例中第一母线电容两端电压的波形图；
图7是本发明实施例的仿真示例中定子模拟器端口电流在直轴方向上由仿真模型计算出的参考电流随时间变化图；
图8是本发明实施例的仿真示例中定子模拟器端口电流在交轴方向上由仿真模型计算出的参考电流随时间变化图；
图9是本发明实施例的仿真示例中定子模拟器端口电流在直轴方向上实际运行时的电流随时间变化图；
图10是本发明实施例的仿真示例中定子模拟器端口电流在交轴方向上实际运行时的电流随时间变化图；
图11是本发明实施例的仿真示例中定子模拟器端口电流在直轴方向上实际电流与参考电流的差值随时间变化图；
图12是本发明实施例的仿真示例中定子模拟器端口电流在交轴方向上实际电流与参考电流的差值随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
参照图1示出的本发明实施例的一种飞机起动发电系统模拟架构的结构示意图，该飞机起动发电系统模拟架构10可以包括起动发电控制器模拟器11、起动发电机模拟器12和特性控制器13，所述特性控制器13包括控制器模拟器特性控制模型131和起动发电机仿真模型132，所述起动发电机模拟器12包括定子模拟器121、电流采样电路122、电压采样电路123和能量回收装置124。
其中，所述起动发电控制器模拟器11、所述定子模拟器121和能量回收装置124依次连接，所述控制器模拟器特性控制模型131与所述起动发电控制器模拟器11连接，所述起动发电机仿真模型132与所述定子模拟器121连接，所述电流采样电路122和所述电压采样电路123分别与所述定子模拟器121连接，所述电流采样电路122用于检测所述定子模拟器121端口的实测电流，所述电压采样电路123用于检测所述定子模拟器121端口的实测电压。
所述起动发电控制器模拟器11的输入端接入外部电源，所述控制器模拟器特性控制模型131用于根据其内设的控制算法控制所述起动发电控制器模拟器11的输出电压为目标电压，所述起动发电机仿真模型132用于基于所述实测电压根据其内设的计算算法计算获得所述定子模拟器121端口的参考电流，并生成控制信号发送至所述定子模拟器121，使得所述定子模拟器输出实测电流值跟踪所述参考电流。
所述能量回收装置124用于当所述定子模拟器121模拟起动发电机起动工况时，将所述定子模拟器121端口的电能吸收，当所述定子模拟器121模拟起动发电机发电工况时，为所述定子模拟器121供电以使得所述定子模拟器输出电能。
具体的，特性控制器13是以DSP和FPGA器件为核心，配合起动发电控制器模拟器11和起动发电机模拟器12实现电机控制器和电机的功能，特性控制器13可以包括控制器模拟器特性控制模型131和起动发电机仿真模型132，其中控制器模拟器特性控制模型131中内设有控制起动发电控制器模拟器11的输出电压的控制算法，该控制算法的不同体现了对飞机起动发电系统的不同控制策略，在利用本发明实施例提供的起动发电控制器模拟器进行飞机起动发电系统试验论证时，可以修改该控制算法，以验证不同控制策略在飞机起动发电系统的适用情况。起动发电机仿真模型132则是用来模拟真实电机的，通过修改起动发电机仿真模型132中的不同参数，可以实时模拟不同参数的真实电机，以验证不同的电机在飞机起动发电系统的适用情况。
需要说明的是，在本发明实施例中，在整个飞机起动发电系统模拟架构工作时，使得定子模拟器输出实测电流值跟踪所述参考电流的含义为，使得所述实测电流与参考电流之间的偏差在要求的范围内，(即以定子模拟器端口电流为闭环控制目标)的原因在于，电机实体本身含有定子电感，电机应被看做一个电流源，其端口电压可突变而端口电流不可突变，端口电流为电机的状态变量而端口电压不是，其端口电流反映了电机的工作状态。
本发明实施例的飞机起动发电系统模拟架构的另一方面优势还体现在：通常起动发电机仿真模型计算的定子模拟器端口的参考电流仅仅是一个信号值，其输出的并不是实际电流大小，仅有一个信号值对于飞机的起动发电系统的试验论证的帮助是远远不够的，本发明实施例建立的定子模拟器，其端口的实测电流可以跟踪起动发电机仿真模型计算出的参考电流的实际大小，为飞机的电气系统中的起动发电系统的试验论证提供了更为真实的电流，此起动发电系统模拟架构后可接配电系统设备，可更为方便验证整个飞机的电气系统的特性。
本发明实施例的能量回收装置124则为整个飞机起动发电系统模拟架构提供较为稳定的能量回收，反馈机制，保证系统的稳定性，大大的节省电能，本发明实施例在此则不过多赘述。
综上所述，本发明实施例提供的飞机起动发电系统模拟架构，可以模拟真实飞机起动发电系统起动和发电工况下的性能，通过修改起动发电系统特性控制模型中的控制算法，可以调整不同的控制策略，还可以调整起动发电机仿真模型的参数，以应对不同参数的真实电机，从而验证不同控制策略和不同参数的电机的直流起动发电系统的可实现性，大大缩短了飞机起动发电系统的实验论证时间并节省了成本。不仅如此，本发明实施例还可以提供与发电机仿真模型计算出的参考电流值的实际大小较为接近的真实电流，此起动发电系统模拟架构后可接配电系统设备，可更为方便验证整个飞机的电气系统的特性。
进一步地，在本发明实施例中，由于建立了起动发电机模拟器和起动发电机仿真模型，起动发电机模拟器和起动发电机仿真模型两者的结合可实现发电机特性的模拟，因此本发明实施例还可以单独将起动发电机模拟器和起动发电机仿真模型两者从模拟架构中剥离出，用以模拟发电机的起动和发电特性，例如用来单独模拟永磁同步电机的起动和发电特性，从而使得本发明实施例还可以单独用以模拟永磁同步电机的起动和发电特性。
在本发明的一种优选实施例中，参照图2示出的本发明实施例的另一种飞机起动发电系统模拟架构的结构示意图，该架构示意图验证的是直流起动发电系统模拟架构，即起动发电控制器模拟器11的输入端接入的外部电源为直流电源，利用该直流起动发电系统模拟架构可以验证直流起动发电系统。
作为一种示例，本发明实施例的一种飞机的直流起动发电系统的原理架构示意图如图3所示，该直流起动发电系统为“永磁同步电机+整流器”架构，如图3所示，图中E为发动机，PMSM为永磁同步电机。起动时，由540VDC汇流条给起动发电机控制器供电，起动发电机控制器作为逆变器将540VDC直流电逆变为交流电为PMSM供电以进行电机带载起动，电机带动发动机旋转直到发动机点火。发电时，发动机带动PMSM发出交流电，经过起动发电机控制器进行可控整流将交流电整流为540VDC直流电输出到汇流条。由于图3示出的这种直流起动发电系统的架构是较为常用的直流起动发电系统架构，使得本发明实施例的模拟架构的通用性得到提高，可以很方便的验证采用直流起动发电架构(同步电机+整流器)的飞机的电气系统。
进一步地，参照图2，所述起动发电控制器模拟器11包括四象限运行的第一三相全桥电路111和第一母线电容112，所述第一三相全桥电路111的输入端串接所述第一母线电容112，所述定子模拟器121包括四象限运行的第二三相全桥电路1211，所述起动发电控制器模拟器11和所述定子模拟器121之间还设置有L滤波器14。
具体的，第一母线电容112具有稳压和滤波作用，起动发电控制器模拟器11中的晶体管开关接收到控制器模拟器特性控制模型131中的指令后，控制晶体管开关的通断，将直流电源的电压逆变为电机所需要的交流电。其中，晶体管开关可以选用常用的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)。
当起动发电控制器模拟器11将直流电源逆变为交流电之后，由于是通过电力电子变换器逆变输出的，其含有大量谐波成分，为了使得输出的交流电电流更趋近于正弦波，所述起动发电控制器模拟器11和所述定子模拟器121之间还设置有L滤波器14。
可选地，所述L滤波器14和所述起动发电控制器模拟器11之间还设置有开关15，以方便对系统模拟架构的定子模拟器进行开关控制。
在本发明的一种优选实施例中，为了方便能量回收装置124将回收的能量反馈至电网，参照图2，所述能量回收装置124包括第二母线电容1241和包括四象限运行的第三三相全桥电路的逆变器1242，所述第二母线电容1242串接于所述定子模拟器121和所述逆变器1242之间，所述逆变器1242与电网连接，从而使得该起动发电系统模拟架构在起动时，定子模拟器121输出的直流电经过逆变器1242逆变为电网能够吸收的电能，其中第二母线电容1241用以维持定子模拟器121直流侧的电压稳定。
可选地，参照图2，所述逆变器1242与所述电网之间还依次设置有LC滤波器16和隔离变压器17，其中LC滤波器16主要用于对所述逆变器1242输出的电能进行滤波，以使其能够满足馈网对电能质量的要求，其中隔离变压器主要用于在起动时将所述逆变器1242输出的电压进行变压以与电网电压一致，发电时将电网电压升压/降压到所述逆变器1242变换所需要的电压。
在本发明的另一个实施例中，有时候能量回收装置124并不方便与电网连接，此时则参照图4示出的本发明实施例的另一种飞机起动发电系统模拟架构的结构示意图，可以将能量回收装置124选择为母线电源1243，同样可以起到能量回收装置124的作用，同时也具有维持定子模拟器121直流侧的电压稳定的作用。
前述内容对本发明实施例的飞机起动发电系统模拟架构的具体结构示意图进行了较为详细的介绍，以下便以一个具体的模拟仿真示例对飞机起动发电系统模拟架构如何较为真实地模拟真实电机进行说明。
以图4示出的飞机直流起动发电系统模拟架构为例，设某一预研型号的飞机的直流起动发电系统的电机在起动阶段的设计运行工况为0～1s之间系统处于起动阶段，1～2s之间系统处于发电阶段，在起动阶段，电机先恒转矩运行到7000rpm，然后恒功率运行到14400rpm，并保持稳定，随后在1～2s之间是发电阶段，发电过程中电机转速为14400～24000rpm，且该直流起动发电系统的输出电压为540V。
在起动阶段，外部电源为540V直流电源，为起动发电控制器模拟器11供电，控制器模拟器特性控制模型131发出控制指令，起动发电控制器模拟11将直流电源的电压逆变为电机所需要的交流电的目标线电压400V，同时电压采样电路123还会检测定子模拟器端口的实测电压，该实测电压作为起动发电机仿真模型132的输入，由于设定的工况是先恒转矩运行到7000rpm，然后恒功率运行到14400rpm，因此在起动发电机仿真模型的计算过程中，还会输入发电机的负载转矩，从而使得起动发电机仿真模型132可以基于所述实测电压根据其内设的计算算法计算获得所述定子模拟器端口的参考电流，当电流采样电路122所检测的实测电路与参考电流的偏差不在要求范围内时，生成控制信号发送至所述定子模拟器121，使得所述实测电流值跟踪参考电流。
在起动阶段，不仅需要关注实测电流值与参考电流之间的偏差，有时候还关心电机在起动过程中的转速是否符合设计要求以判断直流起发系统是否符合真实的运行情况，因此，在本发明实施例中，所述起动发电机仿真模型132在基于所述实测电压根据其内设的计算算法计算获得所述定子模拟器端口的参考电流时，还计算获得起动发电机的当前转速。
在发电阶段，此时母线电源1243给定子模拟器121供电，起动发电机仿真模型132仍然将定子模拟器121交流侧的实测电压作为输入，但此时电机作为发电机，起动发电机仿真模型132另一个输入不再是负载转矩，而是飞机的发动机的转速，在本示例中，为14400～24000rpm，然后起动发电机仿真模型132可以基于其内设的计算算法计算获得所述定子模拟器端口的参考电流，当电流采样电路122所检测的实测电路与参考电流的偏差不在要求范围内时，生成控制信号发送至所述定子模拟器121，使得所述实测电流值跟踪参考电流以使实际的电流符合电机的外特性。
进一步地，在发电阶段，母线电源1243给定子模拟器121供电后，定子模拟器模拟发电机，向起动发电控制器模拟器11供电，此时还可以测量第一母线电容112两端电压，以检测该起动发电系统的电机在发电工况下所发出的电能的电压稳定性。
图5示出了本发明实施例的本次仿真示例中从起动发电机仿真模型中提取出的电机当前转速在起动阶段和发电阶段的波形图，图6示出了本发明实施例的本次仿真示例中第一母线电容两端电压的波形图，图7示出了本发明实施例的本次仿真示例中定子模拟器端口电流在直轴方向上由仿真模型计算出的参考电流随时间变化图，图8示出了本发明实施例的本次仿真示例中定子模拟器端口电流在交轴方向上由仿真模型计算出的参考电流随时间变化图，图9示出了本发明实施例的本次仿真示例中定子模拟器端口电流在直轴方向上实际运行时的电流随时间变化图，图10示出了本发明实施例的本次仿真示例中定子模拟器端口电流在交轴方向上实际运行时的电流随时间变化图，图11示出了本发明实施例的本次仿真示例中定子模拟器端口电流在直轴方向上实际电流与参考电流的差值随时间变化图，图12示出了本发明实施例的本次仿真示例中定子模拟器端口电流在交轴方向上实际电流与参考电流的差值随时间变化图。
从图5中0～1s起动阶段可以看出，该540V直流起动发电系统模拟架构模拟的真实电机特性，0～0.75s阶段完成了转速从0增加至14400rpm，0.75～1s阶段保持转速恒定，从图6中1～2s发电阶段可以看出，发电阶段第一母线电容两端电压较为稳定地恒定在540V，都符合设计工况要求，表明该直流起动发电系统模拟架构可以在外部特性上较好地模拟真实电机的外特性，这是因为飞机的直流起动发电系统从外部特性看就是其发电时的输出电压以及起动时的电机转速。
从图7～图12可以看出，定子模拟器端口电流在直轴和交轴两个方向上，实测电流和参考电流保持一致，实测电流能够较好的跟踪参考电流，表明直流起动发电系统模拟架构在内部电特性上也能较好地模拟真实电机的特性。
综合图5～图12，本发明实施例提供的一种飞机起动发电系统模拟架构，在模拟电机在起动发电系统中的特性时，能够较好地体现真实电机的外部特性和内部特性，可以模拟真实飞机直流起动发电系统起动和发电工况下的性能，在此基础上，通过修改特性控制模型中的控制算法，可以调整不同的控制策略，还可以实时调整起动发电机仿真模型的参数，以应对不同参数的真实电机，从而验证不同控制策略和不同参数的电机的直流起动发电系统的可实现性，大大缩短了飞机起动发电系统的实验论证时间并节省了成本。
当本发明实施例的飞机起动发电系统模拟架构被用在飞机电气系统概念设计阶段、初步设计阶段和详细设计仿真阶段时，进行电机控制算法和控制策略的验证，可以大大节约飞机前期设计的时间和成本，为高压发电体制的航空电气系统进入实用阶段打下技术基础。
另外，本发明实施例还提供了一种模拟飞机起动发电系统的硬件设计原理电路，该硬件设计原理电路包括前述实施例的飞机起动发电系统模拟架构，当使用该硬件设计原理电路进行飞机起动发电系统的模拟验证时，能够模拟真实起动发电系统的性能表现，大大缩短飞机起动发电系统的实验论证时间。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，包括：起动发电控制器模拟器、起动发电机模拟器和特性控制器，所述特性控制器包括控制器模拟器特性控制模型和起动发电机仿真模型，所述起动发电机模拟器包括定子模拟器、电流采样电路、电压采样电路和能量回收装置；
所述起动发电控制器模拟器、所述定子模拟器和能量回收装置依次连接，所述控制器模拟器特性控制模型与所述起动发电控制器模拟器连接，所述起动发电机仿真模型与所述定子模拟器连接，所述电流采样电路和所述电压采样电路分别与所述定子模拟器连接，所述电流采样电路用于检测所述定子模拟器端口的实测电流，所述电压采样电路用于检测所述定子模拟器端口的实测电压；
所述起动发电控制器模拟器的输入端接入外部电源，所述控制器模拟器特性控制模型用于根据其内设的控制算法控制所述起动发电控制器模拟器的输出电压为目标电压，所述起动发电机仿真模型用于基于所述实测电压根据其内设的计算算法计算获得所述定子模拟器端口的参考电流，并生成控制信号发送至所述定子模拟器，使得所述定子模拟器输出实测电流值跟踪所述参考电流；
所述能量回收装置用于当所述定子模拟器模拟起动发电机起动工况时，将所述定子模拟器端口的电能吸收，当所述定子模拟器模拟起动发电机发电工况时，为所述定子模拟器供电以使得所述定子模拟器输出电能；
所述起动发电控制器模拟器包括四象限运行的第一三相全桥电路和第一母线电容，所述第一三相全桥电路的输入端串接所述第一母线电容。
2.根据权利要求1所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述外部电源为直流电源。
3.根据权利要求1或2所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述定子模拟器包括四象限运行的第二三相全桥电路，所述起动发电控制器模拟器和所述定子模拟器之间还设置有L滤波器。
4.根据权利要求3所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述L滤波器和所述起动发电控制器模拟器之间还设置有开关。
5.根据权利要求1或2所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述能量回收装置包括第二母线电容和包括四象限运行的第三三相全桥电路的逆变器，所述第二母线电容串接于所述定子模拟器和所述逆变器之间，所述逆变器与电网连接。
6.根据权利要求1或2所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述能量回收装置为母线电源。
7.根据权利要求5所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述逆变器与所述电网之间还依次设置有LC滤波器和隔离变压器。
8.根据权利要求1或2所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述起动发电机仿真模型用于基于所述实测电压根据其内设的计算算法计算获得所述定子模拟器端口的参考电流时，还计算获得起动发电机的当前转速。
9.根据权利要求3所述的飞机起动发电系统模拟架构，其特征在于，所述的第一三相全桥电路中的晶体管开关为IGBT或MOSFET。
10.一种模拟飞机起动发电系统的硬件设计原理电路，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的飞机起动发电系统模拟架构。
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