“更多電動”飛機中的電機控制

著商用和國防飛機用戶和集成商尋求降低成本，我們看到“更多電動”飛機（MEA）設(shè)計的出現(xiàn)。這些飛機通過更快、更輕松的維護(hù)檢查來降低運營和維護(hù)成本，通過減少平均故障間隔時間 （MTBF） 來提高飛機可用性，并減少廢氣排放，因為它們更輕、更高效，并且機載笨重的系統(tǒng)更少。MEA概念專門用電氣系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的液壓，氣動和機械系統(tǒng)，這些系統(tǒng)重量更輕，更易于安裝和維護(hù)，并改善了燃料消耗。目標(biāo)是最終擁有一架全電動飛機。

傳統(tǒng)上，所有非推進(jìn)動力都是從飛機的發(fā)動機中提取的?？諝鈴陌l(fā)動機的高壓壓縮機排出;由此獲得的氣動動力用于為環(huán)境控制系統(tǒng)提供動力，并為機翼防冰系統(tǒng)提供熱空氣。機械變速箱將機械動力從發(fā)動機傳遞到中央液壓泵 - 使用貫穿整個飛機的管道系統(tǒng) - 為主要和次要飛行控制，起落架展開，縮回和制動的驅(qū)動系統(tǒng)以及許多其他需要執(zhí)行器的系統(tǒng)提供液壓動力。機械變速箱的一部分還將其機械動力傳遞到發(fā)電機，發(fā)電機除了為航空電子設(shè)備、機艙和飛機照明提供電力外，還提供其他負(fù)載（例如娛樂系統(tǒng)）的電力。

電氣系統(tǒng)相對于液壓系統(tǒng)的優(yōu)勢

液壓系統(tǒng)使用成熟的技術(shù)，與使用電氣技術(shù)可獲得的改進(jìn)相比，效率的可能改進(jìn)可以忽略不計。液壓系統(tǒng)由中央電動泵組成，中央電動泵通過從發(fā)動機短艙延伸的管道產(chǎn)生液壓，穿過防火墻，穿過塔架，進(jìn)入輪艙、機翼和整個機身。每個液壓系統(tǒng)都需要壓力和回油管路以及泵的箱體排水管。這些系統(tǒng)通常是三重冗余的，管道可防止液壓系統(tǒng)中的易燃液體。然而，所有這些保護(hù)、冗余和管道都很沉重。相比之下，MEA實現(xiàn)了更簡單的結(jié)構(gòu)解決方案，整個飛機所需的隔熱罩更少，易燃流體保護(hù)更少。這種簡化導(dǎo)致飛機更輕，復(fù)雜性更低，飛機結(jié)構(gòu)的認(rèn)證要求更低。

對于液壓系統(tǒng)，所有這些管道都需要維護(hù)，以防整個管道路徑泄漏，而發(fā)動機驅(qū)動的泵和壓力密封件也需要不斷進(jìn)行維護(hù)檢查。這些系統(tǒng)的維護(hù)成本很高，而且液壓系統(tǒng)的MTBF很短。另一方面，使用電動液壓或全電動執(zhí)行器的電動系統(tǒng)，整個飛機不再需要液壓管，從而大大減少了總重量?？罩锌蛙?a target="_blank">公司估計，當(dāng)液壓副翼執(zhí)行器被電液或機電執(zhí)行器取代時，A380飛機的重量減輕了約1，000磅。消除大部分液壓系統(tǒng)還可以提高系統(tǒng)的MTBF，使其更加可靠。由于液壓泵系統(tǒng)是發(fā)動機上的連續(xù)負(fù)載，而電力負(fù)載是按需/僅在需要時，因此性能得到了額外的改進(jìn)。所有這些節(jié)省和改進(jìn)降低了飛機的整體燃料需求，并進(jìn)一步降低了運營成本。此外，驅(qū)動功率的高效隔離和獨立性為整個系統(tǒng)提供了穩(wěn)健性。

MEA在執(zhí)行器上面臨的挑戰(zhàn)

開發(fā)更多電動飛機存在重大挑戰(zhàn)，其中之一是電力的監(jiān)控和分配。需要對分布在整個飛機上的所有電氣系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)電子控制。由于現(xiàn)在每個系統(tǒng)都需要電力，因此控制架構(gòu)必須得到改進(jìn)和足夠的彈性，以處理飛行控制系統(tǒng)等系統(tǒng)的高可靠性要求。每個執(zhí)行器都有電子設(shè)備，用于執(zhí)行執(zhí)行器的電機控制和健康監(jiān)控，為飛行控制提供反饋。這些執(zhí)行器電子設(shè)備暴露在工作溫度、壓力和海拔高度方面的惡劣環(huán)境條件下。最新的基于閃存的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）能夠在這些惡劣的環(huán)境中以高可靠性運行。

通過MEA概念，現(xiàn)在設(shè)計的電動執(zhí)行器通常使用永磁無刷交流電機，這需要復(fù)雜的電子設(shè)備來執(zhí)行控制和監(jiān)控功能。比例積分（PI）控制器、空間矢量調(diào)制、脈寬調(diào)制（PWM）、限速器、位置和速度估計器以及其他用于控制和監(jiān)控執(zhí)行器的工具的開發(fā)非常耗時，在用于航空執(zhí)行器之前需要強大的驗證和驗證。有很多方法可以解決這個問題，包括使用微控制器 （MCU）、數(shù)字信號處理器 （DSP）、專用集成電路 （ASIC） 和 FPGA。

MCU和DSP傳統(tǒng)上用于單軸和雙軸電機控制設(shè)計中的算法處理。在處理運行狀況監(jiān)控、報告、安全通信以及多軸或高旋轉(zhuǎn)電機的安裝要求時，MCU 和 DSP 不如基于閃存的 FPGA 解決方案?；陂W存的FPGA提供比基于MCU/DSP的解決方案更高的性能，用于高速、低延遲的算法處理，并支持集成其他系統(tǒng)的功能，以進(jìn)一步降低總擁有成本。

針對飛機電機控制應(yīng)用的電力電子設(shè)備的優(yōu)化需要寬頻帶的開關(guān)頻率來提高系統(tǒng)的性能。DSP 和 MCU 在需要在較高開關(guān)頻率范圍內(nèi)工作的應(yīng)用中表現(xiàn)不佳。一些DSP可能會針對高頻開關(guān)優(yōu)化幾個通道，但它們?nèi)狈焖龠m應(yīng)不斷變化的要求的能力。它們還缺乏添加更多脈寬調(diào)制（PWM）通道來控制電力電子級的能力。在當(dāng)前系統(tǒng)中，此要求通常卸載到FPGA。ASIC 和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 （ASSP） 具有與 DSP 和 MCU 相同的靈活性和擴展挑戰(zhàn)。

電機控制設(shè)計受益于降低靜態(tài)和總功率，尤其是在高頻和高溫下。與使用六晶體管SRAM單元的替代產(chǎn)品相比，具有嵌入式單晶體管閃存單元的FPGA具有優(yōu)勢，后者在上電期間必須通過外部ROM進(jìn)行配置。最新的基于閃存的FPGA解決方案使用全面的方法來最大限度地降低功耗，與基于SRAM的FPGA解決方案相比，總功耗降低50%，靜態(tài)功耗降低10%。

MEA執(zhí)行器上使用的無刷交流電機的電機控制日益復(fù)雜，許多問題可以通過實施和使用基于閃存的FPGA作為其主控制器來解決。

支持 MEA 系統(tǒng)架構(gòu)的 FPGA

向MEA的初步過渡目標(biāo)是使用電液或機電執(zhí)行器。這種設(shè)計過渡是通過動力驅(qū)動電子設(shè)備（PDE）引入的，PDE使用電力供應(yīng)而不是傳統(tǒng)的液壓電源來控制執(zhí)行器表面。PDE 電源核心模塊 （PCM） 包括混合電源驅(qū)動器 （HPD），用于執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換并驅(qū)動驅(qū)動電機。PCM 還包含使用 FPGA 實現(xiàn)和控制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通信功能。

電機控制算法嵌入在FPGA中，F(xiàn)PGA位于PDE命令模塊中。該FPGA被編程為執(zhí)行各種功能，例如從外部傳感器獲取位置和速度信息，用于電機控制和通信的數(shù)據(jù)處理。

需要監(jiān)控模塊來監(jiān)控偏微分方程的運行狀況。這種安全關(guān)鍵功能也是通過FPGA實現(xiàn)的。

動力驅(qū)動電子設(shè)備的集成在波音787和空客A380等現(xiàn)代商用飛機中已經(jīng)很明顯，但在飛機制造商采用全電動驅(qū)動系統(tǒng)之前，需要在技術(shù)，效率，可靠性，重量和成本方面取得進(jìn)步。

FPGA 電機控制 IP

最新的基于閃存的FPGA在美高森美的雙軸電機控制套件中具有自己的電機IP套件，用于永磁同步電機（PMSM），無刷直流（BLDC）電機和步進(jìn)電機，所有這些都配備了編碼器和霍爾傳感器接口用于監(jiān)控。電機控制套件還包括用于通信的以太網(wǎng)、UART 和 USB 連接。模塊化 IP 套件具有磁場定向控制 （FOC） 轉(zhuǎn)換（克拉克、帕克、反向克拉克和逆停車）、PI 控制器、空間矢量調(diào)制、內(nèi)核 3 相 PWM、速率限制器、位置和速度估計器、編碼器接口和步進(jìn)角度發(fā)生器構(gòu)建模塊。它允許采用即插即用的方法，通過其模塊化模塊實現(xiàn)設(shè)計。（圖2。

由于 IP 內(nèi)置于 FPGA 中，因此比在 MCU 或 DSP 上運行的軟件更容易認(rèn)證，因為不需要 DO-178C 認(rèn)證。VHDL 中還提供了額外的驗證和驗證文檔，可幫助設(shè)計人員根據(jù) DO-254 驗證其設(shè)計。還提供相關(guān)軟件，使設(shè)計人員能夠完全訪問電機控制參數(shù)，例如PI控制器的參考速度和Kp/Ki增益。

圖2：電機控制套件功能塊（無傳感器磁場定向控制技術(shù)）。

飛機中的輻射效應(yīng)

對于飛機上的任何電子設(shè)備，都存在單事件翻轉(zhuǎn)（SEU）的危險。電子設(shè)備在航空高度經(jīng)歷中子效應(yīng)的頻率是海平面的500倍。這種高水平的中子輻射使SRAM FPGA極易受到配置干擾的影響，這些干擾會改變FPGA的功能，直到檢測到并糾正為止。然而，在廣泛的中子輻射測試中，基于閃光燈的FPGA沒有出現(xiàn)單事件配置翻轉(zhuǎn)或單事件閂鎖（SEL）。該測試的總暴露量超過1.1 x 1，012中子/cm2，相當(dāng)于紐約市海平面超過900萬年，或紐約市上空40，000英尺高度的17，400年。這種對配置 SEU 和 SEL 效應(yīng)的內(nèi)在抗擾度降低了對冗余和輻射防護(hù)的要求，從而降低了未來設(shè)計的復(fù)雜性。

通往MEA的道路已經(jīng)開始于空中客車A380，A350和波音B787的設(shè)計及其軍事等效產(chǎn)品，因為MEA上的執(zhí)行器將使用越來越復(fù)雜的電子設(shè)備。基于閃存的FPGA不受中子輻射導(dǎo)致航空高度配置損失的影響，并且具有較大的工作溫度范圍。此外，還提供一套全面的電機控制 IP 來支持電動執(zhí)行器中復(fù)雜控制和監(jiān)控功能的快速開發(fā)。由于這些原因，MEA程序的執(zhí)行器控制系統(tǒng)正在選擇閃存FPGA。

審核編輯：郭婷