CN205121208U - 一种用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，仿真监控子系统包括：仿真装置；电机子系统包括：用于驱动被检测装置的至少一个电机、与电机对应设置的电机控制器；通讯子系统包括：至少一个现场通讯模块；仿真装置通过分布式总线与现场通讯模块连接，现场通讯模块与电机控制器电连接；仿真装置通过现场通讯模块向电机控制器发送控制指令，控制电机同步运行。本实用新型的电机传动系统，采用分布式同步总线技术实现电机的同步驱动，使电机驱动不同的被测对象负载保持同步运行，并能完成状态监控功能，当出现故障时，能够迅速定位故障并可以独立进行故障排除而不影响其它被测对象的正常测试，可以提高调试、排故障的效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及半物理仿真技术领域，尤其涉及一种用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统。
背景技术
现代主流商用航空发动机和大部分军用航空发动机控制系统均采用FADEC系统，即通过电子控制器在飞机全包线内全权限地完成发动机本体的控制功能和与飞机协同工作的任务。发动机控制系统要求具有高可靠性和高安全性，其主要由电子控制器、发动机监视装置、燃油部件、作动部件、FADEC交流发电机、传感器以及电缆等组成。半物理仿真试验系统对控制系统各组件的鲁棒性、容错性、符合性进行迭代测试，直至满足相关的所有要求。功能完善的半物理仿真试验系统能大幅降低发动机地面试车、高空试车、飞行试验等的工作量，显著地缩短发动机整机的研发周期。
半物理试验器以民用涡扇发动机为研究对象，用于发动机控制系统的静态性能和动态性能的试验，研究和分析发动机控制系统的静态性能和动态性能，研究和分析发动机在全包线范围内工作时控制系统的适应性和匹配性。因此半物理试验器的主要实现以下的功能需求：a)燃油控制系统的静、动态特性试验；b)发动机起动、加减速的供油特性试验；c)可变几何控制机构的控制特性试验；d)模拟在燃油控制系统自身发生故障的情况下，系统的故障处理试验；e)模拟在发动机发生故障的情况下，燃油控制系统的故障处理试验。根据半物理仿真试验功能的需求特点，其中a)、b)、c)、d)功能均通过一套电机传动系统模拟的航空发动机的高速、低速转动轴来实现。
目前的航空发动机半物理仿真试验台，其电机传动系统整体架构采用常规集中式的机械联接，保证不同被测对象同步性，被测对象(或被测负载)通常包括高压燃油泵、EEC发电机、发动机高压转速测量音轮等，被测对象采用同一个电机驱动，具体实现电机和被测对象的连接方式一般为：电机通过输出连接轴或增速齿轮箱后驱动高压燃油泵，电机通过增速齿轮箱再驱动EEC发电机，同时在输出轴或者齿轮箱的某个位置安装上发动机高压转速测量音轮；电机由控制器实现转速控制，而控制器接收到的信号则是驱动被测对象的公用信号。
现有的集中式实现的传统半物理仿真电机传动系统由于采用机械连接实现不同被控对象的驱动，保证了系统的实时性，但是由于采用变速齿轮箱建设成本高、联合调试程序复杂、齿轮箱也需配套冷却及滑油系统，陈本普遍较高；另外，出现故障时候由于不同被测对象的耦合严密，导致排故过程通常不能准确定位故障，通常排故过程的效率低并且时间大量浪费。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，实现多个电机驱动被检测装置运行。
一种用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，其特征在于，包括：仿真监控子系统，包括：仿真装置；电机子系统，包括：用于驱动被检测装置的至少两个电机、与所述电机对应设置的电机控制器；通讯子系统，包括：至少一个现场通讯模块；其中，所述电机控制器与相对应的电机电连接；所述仿真装置与所述现场通讯模块连接，所述现场通讯模块与所述电机控制器电连接，所述仿真装置通过所述现场通讯模块向所述电机控制器发送控制指令。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述仿真装置通过分布式总线与所述现场通讯模块连接；所述电机与所述被检测装置为一一对应设置，驱动所述被检测装置同步运行。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述仿真监控子系统还包括：监控装置；所述监控装置通过所述分布式总线与所述现场通讯模块连接；其中，所述监控装置对所述电机控制器的参数进行配置、并显示所述现场通讯模块发送的现场运行参数信息。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述被检测装置包括：燃油泵和EEC发电机；其中，所述燃油泵与EEC发电机的主轴分别通过联轴器与对应的所述电机的输出轴连接，在所述燃油泵和EEC发电机的主轴上都设置所述转矩转速编码器，所述转矩转速编码器与所述现场通讯模块电连接。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，还包括：燃油控制测量及伺服作动装置；其中，所述燃油泵通过油路与所述燃油控制测量及伺服作动装置连接，设置在所述燃油控制测量及伺服作动装置中的第一测量模块与所述现场通讯模块电连接。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，燃油减压散热及控制辅助装置；所述燃油减压散热及控制辅助装置通过油路分别与所述燃油泵、所述燃油控制测量及伺服作动装置连接，设置在所述燃油减压散热及控制辅助装置中的第二测量模块与所述现场通讯模块电连接。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，还包括：可调交流电子负载装置；所述可调交流电子负载装置分别与所述EEC发电机、所述现场通讯模块电连接；其中，所述可调交流电子负载装置接收从所述EEC发电机输出的交流电，并将所述交流电的参数信息发送给所述现场通讯模块。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述被检测装置包括：音轮；所述电机的输出轴与所述音轮的主轴连接，带动所述音轮转动；在所述音轮的主轴上安装有转速传感器，所述转速传感器与所述现场通讯模块电连接。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，还包括：用于提供冷却所述电机的水介质的冷却水温度控制装置；其中，所述冷却水温度控制装置通过水管与所述电机连接，设置在所述冷却水温度控制装置中的检测装置与所述现场通讯模块电连接。
根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述电机子系统还包括：电机速度传感器；其中，在所述电机的主轴上安装有所述电机速度传感器，所述电机速度传感器与所述电机控制器电连接。
本实用新型的用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，实现多个电机驱动被检测装置运行，并采用分布式同步总线技术实现电机的同步驱动，使电机驱动不同的被测对象负载保持同步运行，并能完成状态监控功能，提高调试、排故障的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本实用新型的用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统的一个实施例的示意图；
图2为根据本实用新型的用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合各个图和实施例对本实用新型的技术方案进行多方面的描述。
文中的“左”、“右”、“上”、“下”等与附图本身的左、右、上、下等方向一致，“第一”、“第二”为描述上相区别，并没有其它特殊的含义。
如图1所示，本实用新型提供一种用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，仿真监控子系统包括：仿真装置01、监控装置02。电机子系统包括：用于驱动被检测装置的电机07、08，与电机对应设置的电机控制器05、06。通讯子系统包括现场通讯模块03、04。仿真装置01和监控装置02可以实现为PC、服务器、工作站等。
电机控制器05、06与相对应的电机07、08电连接，可以根据具体的需求设置电机控制器与电机的对应关系，例如，可以一个电机控制器对应一个电机，也可以设置一个电机控制器控制多个电机等等。电机与被检测装置的设置可以为一个电机驱动一个或多个被检测装置，例如，电机与被检测装置为一一对应设置，驱动被检测装置同步运行。
仿真装置01通过电线、网线或总线等方式与现场通讯模块03、04连接。例如，仿真装置01通过分布式总线与现场通讯模块03、04连接，分布式总线也称为分布式同步总线，可以为以太网总线或CAN总线等。
现场通讯模块03、04与电机控制器05、06电连接，电连接是指可以通过电线或总线等方式连接。现场通讯模块与电机控制器的设置可以为一个现场通讯模块对应一个电机控制器、或一个现场通讯模块连接多个电机控制器等。
仿真装置01通过现场通讯模块03、04向电机控制器05、06发送控制指令，控制电机07、08运行。控制指令包括：速度、启动、停止等指令，电机控制器05、06控制电机07、08的运行速度、启动、停止等，使电机07、08能够同步运行。电机可以为步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机等。
监控装置02通过分布式总线或其它的连接方式与现场通讯模块03、04连接。监控装置02可以对电机控制器05、06的参数进行配置，包括：输出最大电压、最大电流等。现场通讯模块03、04将系统中的电机控制器、电机、被检测装置等的现场运行参数信息通过分布式总线发送到监控装置02，包括：转速、温度、流量等等，监控装置02显示现场运行参数信息。
上述实施例提供的用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，采用分布式同步总线技术实现电机的同步驱动，使电机驱动不同的被测对象负载保持同步运行，并能完成状态监控功能。
如图2所示，仿真监控子系统包括：监控PC1、仿真PC2、转矩转速编码器7.1-7.2等。通讯子系统包括：现场通讯模块ET013.1-ET103.10。电机子系统包括：电机控制器4.1-4.4、电机5.1-5.4、联轴器6.1-6.2、电机速度传感器8.1-8.2等。电机控制器与电机为一一对应设置，电机为直流伺服电机或交流伺服电机。电机包括：高速伺服电机1#、小惯量高度驱动电机2#等，电机控制器包括：高速伺服电机控制器4.4、伺服电机控制器4.3、高速电机速度控制器4.2、高速电机变频调速控制器4.1等，为描述上清楚、方便，在下文中都使用电机、电机控制器进行说明。
测试辅助系统包括：燃油减压散热及控制辅助装置9、冷却水温度控制装置10、可调交流电子负载装置11、隔离变压器开关及其控制装置17、滤波及保护电路18、380V工频交流电源19等。被检测装置包括：燃油泵12、EEC(EngineElectricController，全权限数字电子控制)发电机13、高速轴转速音轮14.1(音轮1)、低速轴转速音轮14.2(音轮2)、高速轴转速传感器15.1、低速轴转速传感器15.2、燃油控制测量及伺服作动装置16等。
当系统不运行时，监控PC1可以对电机控制器4.1-4.4的参数进行设置。当系统运行时，电机控制器4.1-4.4接收来自仿真PC2的高、低压转速信号作为控制输入目标值，通过闭环控制使被检测装置中的燃油泵12、EEC发电机13、高低压测速音轮15.1-15.2等运转在期望的转速状态下进行同步工作，并通过现场通讯模块ET013.1-ET103.10完成系统运行中的状态监控。
仿真PC2中实时运行发动机模型，发动机模型运行产生高、低压转子轴(N1、N2)转速实时信号，仿真PC2通过EtherCat高速通讯板卡，将信号转换为可以在分布式同步总线上面传输的数字信号，同步地将此数字信号发送至ET013.1-ET103.10，完成被测装置的同步驱动。
在一个实施例中，滤波及保护模块18分别与交流电源19和隔离变压器开关及控制模块17电连接。电机控制器与隔离变压器开关及控制模块17电连接，电机控制器接收隔离变压器开关及控制模块17提供的交流电流，电机控制器根据接收的控制信号，控制电机的运行速度、开启、停止等。
被检测装置包括：燃油泵12和EEC发电机13，燃油泵12与EEC发电机13的主轴分别通过联轴器与对应的电机的输出轴连接。在燃油泵12和EEC发电机13的主轴上都设置转矩转速编码器，转矩转速编码器与现场通讯模块电连接，将转速信号发送到现场通讯模块，现场通讯模块将转速信息发送到监控装置。
仿真PC2产生N2转速实时信号，ET043.4从总线中将N2的数字信号提取后解码并进行实时的数-模AD转换。电机控制器4.1接收ET043.4发送的N2转速信号，将N2转速信号和电机转速传感器8.1反馈的速度模拟量信号进行模-数转换，并根据此两者的偏差通过控制算法完成控制量的计算，生成控制量信号，根据此控制量信号驱动自身的功率放大整流单元，将隔离变压器开关及其控制装置17输出的50赫兹交流工频交流电进行放大、逆变处理，生成变频交流电，此变频交流电流驱动电机5.1，使其转速调节至目标N2转速。
燃油泵12通过油路与燃油控制测量及伺服作动装置16连接，设置在燃油控制测量及伺服作动装置16中的第一测量模块与现场通讯模块电连接，第一测量模块包括多种传感器。燃油减压散热及控制辅助装置9通过油路分别与燃油泵12、燃油控制测量及伺服作动装置16连接，设置在燃油减压散热及控制辅助装置9中的第二测量模块与现场通讯模块电连接，第二测量模块包括多种传感器。第一、第二测量模块采集信息，包括：油压、油温、流量等，并将信息发送到现场通讯单元，由现场通讯单元发送到监控装置进行显示。
在一个实施例中，电机5.1输出轴通过联轴器6.1与燃油泵12的输入轴完成刚性连接。燃油泵12完成在其在各种转速下的燃油增压功能，燃油泵12入口燃油来自燃油减压散热及控制辅助装置9中的油箱，燃油泵12出口输出的增压后燃油提供给燃油控制测量和伺服作动装置16，燃油控制测量和伺服作动装置16中的燃油计量部件(机载被测)、作动部件(机载被测)、燃油测量部件(机载被测)等在EEC(机载被测)驱动下完成相应的燃油计量、燃油关断、作动部件驱动、燃油测量和位置反馈等机载控制系统功能。
燃油控制测量和伺服作动装置16输出的计量后的燃油通过油管路输入进入燃油减压散热及控制辅助装置9，由燃油减压散热及控制辅助装置9中的减压、换热、能量回收及控制装置将来自燃油控制测量和伺服作动装置16的高压计量后燃油的压力调节为常压(大气压)功能，并由返回至燃油减压散热及控制辅助装置9中的储油罐，供燃油泵12循环使用，燃油泵12中的各种装置由相关传感器通过ET103.10采集后，通过AD转换为数字信号后通过分布式同步总线反馈至监控PC1中的同步总线高速通讯卡，由其解码后在监控PC1中显示。
在一个实施例中，电机控制器4.2接收ET033.3发送的低压转子轴N1转速模拟信号量，将N1转速模拟信号量和电机速度传感器8.2反馈的速度模拟量信号进行模-数(DA)转换，根据此两者的偏差并通过控制算法完成控制量的计算，生成控制量信号，根据此控制量信号驱动自身的功率放大整流单元，将隔离变压器开关及其控制装置17输出的50赫兹交流工频交流电进行放大、逆变处理，生成变频交流电，此变频交流电流驱动电机5.2的转速调节至目标N1转速。
可调交流电子负载装置11分别与EEC发电机13、现场通讯模块电连接，可调交流电子负载装置11接收从EEC发电机13输出的变频交流电，并将变频交流电的参数信息发送给现场通讯模块，包括：电压、电流、频率等信息，由现场通讯模块将参数信息发送到监控装置显示。
在一个实施例中，电机5.2的输出轴通过联轴器6.2与EEC发电机13的输入轴刚性连接。EEC发电机13完成在各种N1信号转速下的三相变频交流电的输出功能，并将输出的三相交流电输出至可调交流电子负载装置11。可调交流电子负载装置11接收变频交流电后完成输出电负荷的回收和数据采集功能，将EEC发电机13输入的交流电信号各种参数通过DA转换为模拟量后发送给ET073.7，ET073.7将其输入的模拟量信号通过分布式同步总线反馈至监控PC1中的同步总线高速通讯卡，由其解码后在监控PC1中显示。
通过电机的输出轴与音轮的主轴连接，可以采用直连或通过传动系统连接，带动音轮转动。在音轮的主轴上安装有转速传感器，转速传感器与现场通讯模块电连接，现场通讯模块将转速传感器测量的转速信号发送到监控装置中进行显示。
ET013.1从总线中获取高压转子轴N2转速信号，电机控制器4.4根据N2转速驱动自身的功率放大整流单元，将隔离变压器开关及其控制装置17输出的50赫兹交流工频交流电进行放大、逆变处理，生成变频交流电，此变频交流电流驱动电机5.3的转速调节至目标N2。
音轮114.1连接至电机5.3输出轴并随传动轴进行圆周运动，转速传感器15.1与音轮114.1轴向均匀分布的磁性齿头发生电磁作用产生脉冲信号输出，转速传感器15.1输出的频率脉冲信号输入至ET093.9，ET093.9将转速传感器15.1输入的模拟量信号进行处理，并通过分布式同步总线反馈至监控PC1中的同步总线高速通讯卡，由其解码后在监控PC1中显示。
ET023.2从总线中获取高压转子轴N2转速信号，电机控制器4.3根据N2速度驱动自身的功率放大整流单元，将隔离变压器开关及其控制装置17输出的50赫兹交流工频交流电进行放大、逆变处理，生成变频交流电，此变频交流电流驱动电机5.4的转速调节至目标N2。
音轮214.2连接至电机5.4输出轴并随传动轴进行圆周运动，转速传感器15.2与音轮214.2轴向均匀分布的磁性齿头发生电磁作用产生脉冲信号输出，转速传感器15.2输出的频率脉冲信号输入至ET093.9，ET093.9将转速传感器15.1输入的模拟量信号进行处理，并通过分布式同步总线反馈至监控PC1中的同步总线高速通讯卡，由其解码后在监控PC1中显示。
在一个实施例中，冷却水温度控制装置10通过水管与电机连接，设置在冷却水温度控制装置10中的检测装置与现场通讯模块电连接。检测装置包括：温度传感器、流量传感器等等。现场通讯模块将检测装置获取的参数信息发送到监控装置，由监控装置进行显示。
冷却水温度控制装置10提供电机5.2和电机5.3运行期间产生的热量冷却用的冷却水，冷却水温度控制装置10产生的冷却水通过冷却水路输送至电机5.2和电机5.3的冷却位置并完成冷却降温功能。ET053.5从冷却水温度控制装置10中的相关传感器获取采集信息，并将采集信号进行模数转换为数字量，并通过分布式同步总线反馈至监控PC1中的同步总线高速通讯卡，由其解码后在监控PC1中显示。
上述实施例提供的用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，采用分布式同步总线技术取代了集中式机械联动系统，可以保证不同被测对象驱动信号源的同步性，成本和调试周期费用显著降低，当出现故障时，能够迅速定位故障到某个被测对象系统，并可以独立进行故障排除而不影响其它被测对象的正常测试，试验系统的调试、排故效率更高，周期更短。
可能以许多方式来实现本实用新型的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本实用新型的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本实用新型的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本实用新型实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本实用新型的方法的机器可读指令。因而，本实用新型还覆盖存储用于执行根据本实用新型的方法的程序的记录介质。
本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种用于航空发动机半物理仿真的电机传动系统，其特征在于，包括:
仿真监控子系统，包括：仿真装置；
电机子系统，包括：用于驱动被检测装置的至少两个电机、与所述电机对应设置的电机控制器；
通讯子系统，包括：至少一个现场通讯模块；
其中，所述电机控制器与相对应的电机电连接；所述仿真装置与所述现场通讯模块连接，所述现场通讯模块与所述电机控制器电连接，所述仿真装置通过所述现场通讯模块向所述电机控制器发送控制指令。
2.如权利要求1所述的电机传动系统，其特征在于：
所述仿真装置通过分布式总线与所述现场通讯模块连接；所述电机与所述被检测装置为一一对应设置,驱动所述被检测装置同步运行。
3.如权利要求1或2所述的电机传动系统，其特征在于：
所述仿真监控子系统还包括：监控装置；所述监控装置通过分布式总线与所述现场通讯模块连接；
其中，所述监控装置用于对所述电机控制器的参数进行配置、并显示所述现场通讯模块发送的现场运行参数信息。
4.如权利要求3所述的电机传动系统，其特征在于：
所述被检测装置包括：燃油泵和EEC发电机；
其中，所述燃油泵与EEC发电机的主轴分别通过联轴器与对应的所述电机的输出轴连接；在所述燃油泵和EEC发电机的主轴上都设置转矩转速编码器，所述转矩转速编码器与所述现场通讯模块电连接。
5.如权利要求4所述电机传动系统，其特征在于，还包括：
燃油控制测量及伺服作动装置；
其中，所述燃油泵通过油路与所述燃油控制测量及伺服作动装置连接，设置在所述燃油控制测量及伺服作动装置中的第一测量模块与所述现场通讯模块电连接。
6.如权利要求5所述电机传动系统，其特征在于，还包括：
燃油减压散热及控制辅助装置；所述燃油减压散热及控制辅助装置通过油路分别与所述燃油泵、所述燃油控制测量及伺服作动装置连接，设置在所述燃油减压散热及控制辅助装置中的第二测量模块与所述现场通讯模块电连接。
7.如权利要求4所述电机传动系统，其特征在于，还包括：
可调交流电子负载装置；所述可调交流电子负载装置分别与所述EEC发电机、所述现场通讯模块电连接；
其中，所述可调交流电子负载装置接收从所述EEC发电机输出的交流电，并将所述交流电的参数信息发送给所述现场通讯模块。
8.如权利要求3所述电机传动系统，其特征在于：
所述被检测装置包括：音轮；
所述电机的输出轴与所述音轮的主轴连接，带动所述音轮转动；在所述音轮的主轴上安装有转速传感器，所述转速传感器与所述现场通讯模块电连接。
9.如权利要求3所述电机传动系统，其特征在于，还包括：
用于提供冷却所述电机的水介质的冷却水温度控制装置；
其中，所述冷却水温度控制装置通过水管与所述电机连接，设置在所述冷却水温度控制装置中的检测装置与所述现场通讯模块电连接。
10.如权利要求1所述的电机传动系统，其特征在于：
所述电机子系统还包括：电机速度传感器；
其中，在所述电机的主轴上安装有所述电机速度传感器，所述电机速度传感器与所述电机控制器电连接。
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