今天的飛機(jī)，液壓與氣壓的致動系統(tǒng)已逐漸由電氣系統(tǒng)取代。主要飛行控制介面的致動器（例如副翼與升降舵），以及起落架的致動器、煞停系統(tǒng)、與燃料輸送系統(tǒng)現(xiàn)在皆由電力電子驅(qū)動。而驅(qū)動這些致動器的馬達(dá)必須符合體積小、重量輕、成本低等幾項要求。它們還需要在正常的飛行運(yùn)作以及面臨各式各樣故障的情況下可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)50,000-15,000小時。

為了達(dá)到這些條件，Microsemi Aviation Center of Excellence正在開發(fā)一系列以電力核心模組（power core module, PCM）為基礎(chǔ)的Intelligent Power Solutions （IPS），其中的設(shè)計、測試皆透過MATLAB與Simulink來進(jìn)行。藉由模型化基礎(chǔ)設(shè)計（Model-Based Design），可以在開發(fā)的早期階段執(zhí)行即時的馬達(dá)驅(qū)動硬體與控制軟體的可靠度測試，進(jìn)而模擬故障情形、優(yōu)化性能、降低風(fēng)險，推動我們達(dá)到設(shè)計上的極限。

建立PCM模型與執(zhí)行閉路模擬

完整的電力電子控制單元包含用於脈寬調(diào)變（pulse width modulation, PWM）控制、資料轉(zhuǎn)換、及通訊的功能，過濾與保護(hù)、一個具有三個相位的永磁同步馬達(dá)（permanent magnet synchronous motor, PMSM）驅(qū)動、一個控制模組、一個監(jiān)測模組（圖1）。馬達(dá)的電流、馬達(dá)速度、致動器位置等資料皆被輸入進(jìn)監(jiān)測模組，控制模組則直接從PCM使用這些資料來讓馬達(dá)加快或放慢速度。因為這是一項新的設(shè)計，需要在沒有現(xiàn)行版本的監(jiān)測模組或控制模組可供測試的情況下開發(fā)PCM。

圖1 : 一個較大的電力電氣控制單元內(nèi)的電力核心模組架構(gòu)圖

我們在Simulink建立PCM模型，並利用電力系統(tǒng)模擬模塊組（Simscape Power Systems）和電子模擬模塊組（Simscape Electronics）來建立三個相位的PMSM驅(qū)動及電子零件及控制與監(jiān)測模組。接著執(zhí)行閉路模擬來制定系統(tǒng)的電氣和機(jī)械行為特性。

接下來，利用Simulink-C轉(zhuǎn)碼器（Simulink Coder）、Simulink即時控制工具（Simulink Real-Time）將三個模型佈署到一個在Speedgoat目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的Spartan-6 FPGA（圖2）。這些模組透過一個低電壓差分信號（low-voltage differential signaling, LVDS）介面來相互溝通。

在其中一個測試的設(shè)置，PCM控制器與其他模組都是執(zhí)行在目標(biāo)硬體上以進(jìn)行即時的測試。而在另一個設(shè)置，將控制器佈署在PCM上生產(chǎn)用的ProASIC3 FPGA，並以執(zhí)行控制與監(jiān)測模組功能的目標(biāo)硬體系統(tǒng)進(jìn)行硬體迴路測試。利用這兩項設(shè)置來測試正常情況的運(yùn)作。我們也測試控制器對幾種故障情形的回應(yīng)（包含馬達(dá)故障）來進(jìn)行故障模式、效果和重要的分析。

圖2 : Speedgoat設(shè)置與PCM硬體原型

以現(xiàn)實(shí)世界的條件測試真實(shí)世界飛行剖面

為了說明PCM在現(xiàn)實(shí)飛行剖面下的運(yùn)行，我們開發(fā)了Simulink與事件導(dǎo)向系統(tǒng)模擬軟體（Stateflow）模型，它可以將飛行特性轉(zhuǎn)譯為致動系統(tǒng)的電氣與機(jī)械條件。比如馬達(dá)的電流對副翼的致動的需求，會因飛機(jī)經(jīng)過幾種典型的飛行狀態(tài)—滑行、起飛、攀升、航行、降落、進(jìn)場、與著陸—而有顯著差異。我們以Simulink和Stateflow執(zhí)行的模擬任務(wù)與飛行剖面模型幫助我們精確地評估馬達(dá)電流對致動器及其他特定飛機(jī)上的零件的需求（圖3）。

圖3 : 典型單走道飛機(jī)的飛行任務(wù)馬達(dá)電流圖

為了進(jìn)行可靠度測試，我們依飛行剖面模擬結(jié)果產(chǎn)生了飛機(jī)專屬的馬達(dá)電流需求。並利用環(huán)境的密閉空間形成不同的氣壓與溫度。舉例來說，波士頓在夏天的週圍的溫度會比杜拜的溫度低上許多，這是進(jìn)行測試時必須考慮到的。透過環(huán)境的密閉空間，可以讓系統(tǒng)暴露於氣溫攝氏55度以及氣壓低於0.2 bar （也就是在39,000呎或更高的高度常見的條件）。以150,000飛行時數(shù)代表的長期的可靠度測試需要經(jīng)過嚴(yán)密監(jiān)測並對結(jié)果進(jìn)行徹底的分析。

我們可以在MATLAB完成這些監(jiān)測及資料的分析。

我們學(xué)到了什麼

透過執(zhí)行大規(guī)模的建模與模擬，我們建立了帶有以碳化矽（silicon carbide, SiC） 金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）為基礎(chǔ)的馬達(dá)驅(qū)動的單元，可於攝氏溫度大約40°的環(huán)境下操作，比帶有絕緣閘雙極電晶體（IGBT）的相似單元的可操作溫度更低。

由於在當(dāng)今體積較小、重量較輕的硬體設(shè)計還沒有辦法進(jìn)行主動式冷卻，妥善管理裝置操作溫度成為確保裝置能夠可靠地運(yùn)行150,000飛行時數(shù)的關(guān)鍵因素。模擬亦顯示IGBTs的功耗比起SiC MOSFETs超出許多（圖四）。這些知識提供我們PCM決策的訊息，並指出SiC MOSFETS因產(chǎn)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)往使用更多電傳飛控（fly-by-wire control）的更為電氣化的飛行器的原因，開始變成一項能被使用的技術(shù)。

圖4 : 圖表顯示IGBT的三相橋功耗隨著時間的變化（上）及SiC MOSFET三相橋的功耗隨時間的變化（下）

藉由Simulink、Simulink即時控制工具（Simulink Real-Time）、Speedgoat目標(biāo)硬體可以在較早的設(shè)計階段論證特定應(yīng)用的可靠度，不需要將整個單元安裝到實(shí)際的飛行器上。透過模型化基礎(chǔ)設(shè)技，可以進(jìn)持續(xù)進(jìn)行驗證及有效性檢驗，而不需要等到電力電子控制單元的所有層面都開發(fā)完成。

有了即時模擬的結(jié)果，可以持續(xù)縮小單元的尺寸、重量及降低成本，因此達(dá)到PCM的可靠度目標(biāo)。

（本文由鈦思科技提供；作者Shane O’Donnell任職於Microsemi公司）