CN113515059B - 一种基于rt-lab的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统 - Google Patents

一种基于rt-lab的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于RT‑LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，包括RT‑LAB仿真系统、电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统、DSP+FPGA控制物理系统以及接口转换物理系统。本发明搭建的半物理试验系统可实现通用电机控制器实物与多种类型电机模型的半实物交联仿真测试，其测试结果的置信度高于传统通用电机控制器分时复用测试系统中的纯数字仿真方法，其测试时间成本和费用成本远远低于传统通用电机控制器分时复用测试系统中的物理测试方法。而且本发明中的模型补偿系统能够解决了RT‑LAB硬件采样频率对宽转速范围差电机伺服控制的限制问题。

Description

一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验 系统
技术领域
本发明属于半物理试验技术领域，涉及一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统。
背景技术
在多电/全电技术的推动下，在飞机装备对高可靠性、高安全性、易维护性等需求牵引下，在应用领域日趋扩大的民用航空和通用航空需求催生下，电能正在逐渐取代其他形式的能源，成为飞机机载能源的主要形式。但是机载用电设备具有多样性以及专用性等特征，以电环控系统、电动液压泵系统等机载电驱动系统为例，其驱动电机类型、容量、转速范围、驱动功能及性能要求等各不相同，如果针对各系统配备专用的控制器，且需要考虑到控制器的整机冗余备份，就会使得飞机上同时装备的各种控制器数量繁多，这不仅增大了机载电驱动系统的复杂程度，同时也增加了重量和体积。因此，分时复用控制技术是多电飞机电力系统关键技术之一，电机控制器根据飞机的驱动需要驱动不同的电驱动负载，实现其分时复用功能，以提高系统功重比，降低死重。
在多电飞机中采用分时复用控制技术的系统主要由分时复用通用电机控制器、起动/发电机、电动液压泵电机、电环控电机等配套组成。分时复用通用电机控制器根据飞机的飞行时序，在飞机起动阶段作为发动机的起动控制器，当完成发动机电起动后，按照机载上层管理系统确定的用电时序，作为电环控电机控制器或电动液压泵电机控制器复用使用。采用分时复用技术在一定程度上增加了系统的复杂性，检测算法的多样性、控制策略的融合程度和调制算法的差异都需要进行充分的验证以确保控制的可靠性。再加上该技术拟应用于航空领域，其安全性和稳定性是重中之重，故需要对系统进行严格的测试，以确保装机安全。
传统的多电飞机电机控制器分时复用测试系统包括物理测试方法和纯数字仿真方法。物理测试方法需要搭建整个测试系统平台，包括电机控制器所需要控制的所有对象实体。对于多电飞机分时复用系统而言，包括起动/发电机、电环控电机和电动液压泵电机、拖动台等，设备费用高，建设周期长，场地限制大，可扩展和兼容性较低。而纯数字仿真方法则无法做到实时仿真，对分时复用运行的实际情况模拟能力较差，仿真结果置信度较低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，建立电机控制器实物与多种类型电机模型的半实物交联仿真试验系统，解决传统的电机控制器分时复用测试在实际研发过程中存在的问题，提高电机控制器分时复用功能的开发测试效率、降低产品研制成本并提升试验系统的兼容性和扩展性。
本发明的技术方案为：
所述基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，包括RT-LAB仿真系统、电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统、DSP+FPGA控制物理系统以及接口转换物理系统；
所述RT-LAB仿真系统用于提供通用电机控制器分时复用测试的实时仿真环境，为电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统和DSP+FPGA控制物理系统以及接口转换物理系统之间提供数据交互功能；
所述电机及驱动电路物理模拟系统用于建立电机控制器的被控对象，实现对被控对象复杂工况运行的模拟；
所述模型补偿系统与物理系统配合，实现实物控制器对高转速电机模型的精确伺服调速控制；
所述DSP+FPGA控制物理系统用于实现通用电机控制器分时复用控制功能；
所述接口转换物理系统实现DSP+FPGA控制物理系统和RT-LAB仿真系统之间的信号匹配；
当所述被控对象的调速范围未超出硬件采样极限，则采用通用电机控制器输出的实际控制信号对所述被控对象进行伺服控制，完成试验验证；
当所述被控对象的调速范围超出硬件采样极限，则对通用电机控制器输出的实际控制信号进行低频调制波和高频载波的分离，将高频载波滤除后，向所述被控对象输出在硬件可识别范围内的低频调制信号；并在模型中，将低频调制信号与模型补偿系统生成的高频载波结合生成控制信号，对所述被控对象进行伺服控制，完成试验验证。
进一步的，电机及驱动电路物理模拟系统以Matlab/Simulink基本库为基础，进行子系统划分、状态节点模块添加和最大化并行处理，最终完成状态变量和实时参数的设置。
进一步的，所述DSP+FPGA控制物理系统中，DSP用于高性能控制算法实时运算，FPGA用于数据处理和逻辑控制。
进一步的，所述接口转换物理系统实现的信号匹配包括电压等级和驱动电流匹配。
进一步的，所述模型补充系统由载波发生器和换相电路组成。
进一步的，所述被控对象包括起动/发电机、电动液压泵电机以及电环控电机；所述起动/发电机、电动液压泵电机的调速范围未超出硬件采样极限，所述电环控电机的调速范围超出硬件采样极限。
有益效果
本发明提出了一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，搭建的半物理试验系统可实现通用电机控制器实物与多种类型电机模型的半实物交联仿真测试。其测试结果的置信度高于传统通用电机控制器分时复用测试系统中的纯数字仿真方法，其测试时间成本和费用成本远远低于传统通用电机控制器分时复用测试系统中的物理测试方法。且本发明中的模型补偿系统能够解决了RT-LAB硬件采样频率对宽转速范围差电机伺服控制的限制问题。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1电机控制器分时复用半物理试验架构框图；
图2电机控制器分时复用RT-LAB实时仿真模型架构；
图3示波器模型和实物显示的电动泵电机转速转矩波形；
图4示波器模型和实物显示的电环控电机转速转矩波形。
具体实施方式
本发明提出了一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，具体包括以下两方面内容：
1.基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验架构
具体包括RT-LAB仿真系统、电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统、DSP+FPGA控制物理系统以及接口转换物理系统，具体见图1。
RT-LAB仿真系统用于提供通用电机控制器分时复用测试的实时仿真环境，为电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统和DSP+FPGA控制物理系统以及接口转换物理系统之间提供数据交互功能。
电机及驱动电路物理模拟系统用于建立电机控制器的被控对象，可实现对被控对象复杂工况运行的模拟。电机及驱动电路物理模拟系统以Matlab/Simulink基本库为基础，进行子系统划分、状态节点模块添加和最大化并行处理，最终完成状态变量和实时参数的设置。
模型补偿系统，与物理系统配合，用于解决目前广泛存在的受制于RT-LAB硬件采样频率，模型无法实时精确捕捉外部高频信号的问题。采用该补偿系统后，可实现实物控制器对高转速电机模型的精确伺服调速控制。
DSP+FPGA控制物理系统，用于实现通用电机控制器分时复用控制功能，其中DSP主要用于高性能控制算法实时运算，FPGA用于数据处理和逻辑控制。
接口转换物理系统，用于实现DSP+FPGA控制物理系统和RT-LAB仿真系统之间的信号匹配，包括电压等级和驱动电流匹配。
2.针对宽转速范围差的控制信号的半物理采样方式
在硬件在环半物理试验过程中，分时复用通用电机控制器为实物，电环控电机和电动液压泵电机等被控电驱系统为模型。
模型需要采集外部真实控制器输出的PWM/SVPWM波形作为输入，同时需要将电机模型中的转速、角度等反馈值输出给真实的控制器。RT-LAB模型想要实时运行，实现与真实世界的同步，需要保证模型的离散仿真步长尽可能小，采样速率尽可能高，但受制于平台硬件限制，模型采样步长最小仅可设置为20us。同时，由于电环控电机等电驱系统调速范围较大，导致外部真实控制器输出的PWM/SVPWM波形通常频率不低于10kHz。真实控制器输出的PWM/SVPWM波形信号需经硬件调理后进入模型，根据模型20us的采样步长，结合香农采样定理和实际工程经验可知，在宽转速范围差的调节过程中，数据有时会产生超时和丢步现象，会导致实时模型无法采样到外部真实控制器输出的全部真实PWM/SVPWM信号，从而无法实现外部控制器实物对电机模型的精准控制。特别是对多电飞机分时复用通用电机控制器而言，在进行额定转速6000r/min的电动液压泵系统伺服控制时可正确采样SVPWM信号，但在进行额定转速42000r/min的电环控系统伺服控制时，RT-LAB硬件可识别的PWM频率范围有限，不采用任何措施进行试验，无法调速到额定转速42000r/min，进而无法完成分时复用半物理试验。
在本发明中，试验目的是为了测试控制参数对电机运行状态的影响并验证分时复用的逻辑切换功能。
根据所搭建的半物理试验平台验证能力可知，0～6000r/min左右转速范围未达到硬件采样极限，故起动/发电机、电动液压泵电机等电驱动系统仍采用传统的真实控制器输出6路SVPWM信号给起动/发电机、电动液压泵电机等模型进行伺服控制的方式完成试验验证。而0～42000r/min左右转速范围已超出硬件采样极限，故在对电环控电机模型进行伺服控制试验时，将真实控制器输出的6路PWM信号通过硬件调理模块进行低频调制波和高频载波的分离，将载波滤除，最终向模型输出1路在硬件可识别范围内的低频调制信号。同时，在模型内部增加由载波发生器和换相电路组成的模型补偿系统，接收低频调制波后，在模型中与高频载波结合生成PWM信号，进而实现对电环控系统模型的伺服控制，即实现针对宽转速范围差的控制信号的半物理采样。
本发明提出了基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统中的电机控制器分时复用半物理试验架构框图见图1，电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统组成的电机控制器分时复用RT-LAB实时仿真模型架构见图2。
已在该系统上实现了对多电飞机电动泵电机控制系统的MTPA控制和电环控电机控制系统的无位置传感器控制，电动泵电机带16N·m额定载调速，起动后转速可以稳定至6000r/min，调速精度满足要求，具体见图3。电环控电机带6·8N额定载调速，起动稳定后由42000r/min降速至21000r/min再降速至8000r/min，再由8000r/min升速至21000r/min再升速至42000r/min，转速在三种运行工况下皆可保持稳定，且调速精度满足要求，具体见图4。此外，已在搭建的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统中完成对整个分时复用控制系统逻辑切换功能的验证。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，其特征在于：包括RT-LAB仿真系统、电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统、DSP+FPGA控制物理系统以及接口转换物理系统；
所述RT-LAB仿真系统用于提供通用电机控制器分时复用测试的实时仿真环境，为电机及驱动电路物理模拟系统、模型补偿系统和DSP+FPGA控制物理系统以及接口转换物理系统之间提供数据交互功能；
所述电机及驱动电路物理模拟系统用于建立电机控制器的被控对象，实现对被控对象复杂工况运行的模拟；
所述模型补偿系统与物理系统配合，实现实物控制器对高转速电机模型的精确伺服调速控制；
所述DSP+FPGA控制物理系统用于实现通用电机控制器分时复用控制功能；
所述接口转换物理系统实现DSP+FPGA控制物理系统和RT-LAB仿真系统之间的信号匹配；
当所述被控对象的调速范围未超出硬件采样极限，则采用通用电机控制器输出的实际控制信号对所述被控对象进行伺服控制，完成试验验证；
当所述被控对象的调速范围超出硬件采样极限，则对通用电机控制器输出的实际控制信号进行低频调制波和高频载波的分离，将高频载波滤除后，向所述被控对象输出1路在硬件可识别范围内的低频调制信号；并在模型中，将低频调制信号与模型补偿系统生成的高频载波结合生成控制信号，对所述被控对象进行伺服控制，完成试验验证。
2.根据权利要求1所述一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，其特征在于：电机及驱动电路物理模拟系统以Matlab/Simulink基本库为基础，进行子系统划分、状态节点模块添加和最大化并行处理，最终完成状态变量和实时参数的设置。
3.根据权利要求1所述一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，其特征在于：所述DSP+FPGA控制物理系统中，DSP用于高性能控制算法实时运算，FPGA用于数据处理和逻辑控制。
4.根据权利要求1所述一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，其特征在于：所述接口转换物理系统实现的信号匹配包括电压等级和驱动电流匹配。
5.根据权利要求1所述一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，其特征在于：所述模型补充系统由载波发生器和换相电路组成。
6.根据权利要求1所述一种基于RT-LAB的多电飞机电机控制器分时复用半物理试验系统，其特征在于：所述被控对象包括起动/发电机、电动液压泵电机以及电环控电机；所述起动/发电机、电动液压泵电机的调速范围未超出硬件采样极限，所述电环控电机的调速范围超出硬件采样极限。
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