永磁交流发电机模拟器

摘要

本发明涉及一种永磁交流发电机模拟器，其用于航空发动机硬件在回路测试，该模拟器包括具有永磁交流发电机模型和故障模型的永磁交流发电机模型机模块，这两种模型均为实时数学模型且该模块将第一输入信号处理后输出第一输出信号；永磁交流发电机控制器模块，其以所述第一输出信号和第二输入信号作为其输入信号并经处理后输出第一控制信号；以及永磁交流发电机执行器模块，其根据所述第一控制信号输出相应的第二输出信号，并同时输出用于所述永磁交流发电机控制器模块闭环控制的反馈信号。其中，所述的第二输出信号为所述永磁交流发电机模拟器所模拟的永磁交流发电机的输出信号。

权利要求

1.一种永磁交流发电机模拟器，其用于航空发动机硬件在回路测试，所述永磁交流发电机模拟器包括：永磁交流发电机模型机模块，其包括永磁交流发电机模型和故障模型，所述永磁交流发电机模型和所述故障模型均为实时数学模型，所述永磁交流发电机模型机模块将第一输入信号处理后输出第一输出信号；

永磁交流发电机控制器模块，其以所述第一输出信号和第二输入信号作为其输入信号并经处理后输出第一控制信号；以及永磁交流发电机执行器模块，其根据所述第一控制信号输出相应的第二输出信号，并同时输出用于所述永磁交流发电机控制器模块闭环控制的反馈信号；

其中，所述第一输入信号为与所述永磁交流发电机模拟器相连接的发动机模型所输出的N2转速信号和故障模式信号，所述第二输入信号即为所述反馈信号，所述的第二输出信号为所述永磁交流发电机模拟器所模拟的永磁交流发电机的输出信号。

2.根据权利要求1所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述永磁交流发电机模型机模块通过模拟仿真软件实现。

3.根据权利要求1所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述永磁交流发电机模型机模块能够接受参数设置和调整。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述永磁交流发电机执行器模块包括：电源装置，其用于将220V交流电经降压、滤波及整流后输出直流电；

三相逆变器，其用于将所述电源装置输出的直流电逆变为与待模拟的永磁交流发电机频率一致的交流电，所述三相逆变器的输出电压低于待模拟的永磁交流发电机的输出电压；

三相升压变压器和阻抗匹配装置，其用于将所述三相逆变器的输出电压提升至与待模拟的永磁交流发电机的输出电压一致并将其滤波，同时产生与待模拟的永磁交流发电机的输出阻抗一致的输出阻抗；

电压电流检测传感器，其用于测量所述三相升压变压器的输出电压和电流并将其作为所述反馈信号反馈至所述永磁交流发电机控制器模块；以及故障注入继电器，其通过固态继电器实现待模拟的永磁交流发电机的断路和短路故障。

5.根据权利要求4所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述永磁交流发电机控制器模块包括：传感器采集电路，其用于接收所述电压电流检测传感器的输出信号；

逆变器驱动电路，其用于驱动所述三相逆变器；以及

通信电路，其用于传输所述第一控制信号。

6.根据权利要求4所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述三相逆变器使用MOSFET作为开关元件并基于空间矢量脉宽调制原理实现逆变波形输出。

7.根据权利要求4所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述三相升压变压器和阻抗匹配装置包括功率电感和功率电阻并将其串联于电流回路中。

8.根据权利要求7所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述功率电感为绕线式磁屏蔽功率电感，且所述功率电阻为金属膜无感电阻器。

9.根据权利要求4所述的永磁交流发电机模拟器，其特征在于，所述故障注入继电器串联于电流回路中并由所述永磁交流发电机控制器模块控制所述故障注入继电器的开关状态。

说明书

永磁交流发电机模拟器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种永磁交流发电机模拟器，尤其涉及一种用于航空发动机全权限数字电子控制的硬件在回路仿真试验的永磁交流发电机模拟器。

背景技术

[0002] 现代航空发动机全权限数字电子控制(Full Authority Digital Engine Control：FADEC)已实现了电调，即通过电子控制器完成发动机本体的控制功能和与飞机协同工作的任务。为了满足航空发动机的适航需求中对于电子控制器的供电要求，电子控制器的电源要有冗余，其冗余主要来自于两个方面：一是飞机提供的28V稳压直流电；另外一个是安装在发动机上且由高压转轴驱动的小功率交流发电机提供的交流电。后者的交流电在电子控制器内部需要通过AC/DC(交流/直流)变换技术转化成28V稳压直流电。AC/DC供电的稳定性对于保证全权限数字电子控制系统安全性具有重要意义，全面完整的AC/DC模块测试是航空发动机电子控制器软硬件集成测试的重要环节。

[0003] AC/DC模块的功能和性能方面的测试通常有两种方式：一种是通过永磁交流发电机为AC/DC模块供电，通过调整发电机输出轴转速模拟航空发动机各种工作状态下AC/DC模块的供电状况；另外一种是通过程控电流源模拟永磁交流发电机输出。上述两种方法在实际测试过程中各有优缺点。使用永磁交流发电机为AC/DC供电，可测试永磁交流发电机任何可能工作转速下AC/DC模块的供电状态。但该方法需配备一套完整的如图1所示的拖动台，包括电动机、电动机驱动器、齿轮箱和相应冷却和润滑设备。拖动台电动转子具有不同轴误差，且电动机最大工作转速在16000rpm以上，形成高频噪声源，对实验环境造成较大的震动及噪音干扰，限制了测试设备的安装范围；此外，拖动台的润滑液体采用润滑油，存在易燃风险，安全性较低；而且电动机具有转动惯量、跟踪输入转速时会产生跟踪误差，进而造成永磁交流发电机输出电压和频率的误差，影响实验精度；再者，发电机相间短路、绕组间短路实验会产生较大的短路电流，极限情况下会烧毁永磁交流发电机绕组，导致较高的实验成本且发电机匝间短路无法实现动态模拟，进而无法实现电子控制器的全面测试，影响适航审定。总而言之，这种测试方式依赖发电机的配合工作，但是发电机作为发动机配套附件也存在研发周期较长，并且技术条件反复等问题。一旦出现交付拖延，则会直接影响电源模块的测试任务，进而影响控制器的研制周期。

[0004] 而使用程控电流源作为永磁交流发电机模拟器成本较低；而且，由于程控电流源无机械运动部件，故不存在噪声干扰问题。但是，该方法在应用中具有如下缺点：缺少短路和断路装置，无法进行永磁交流发电机故障状态下的AC/DC模块验证；此外，由于现有程控电流源的器件限制，极限频率较低，无法覆盖永磁交流发电机工作的所有频率范围。

[0005] 因此，在现有技术的基础上，AC/DC模块的功能和性能方面的测试仍然有进一步提高的空间，例如如何通过技术革新达到安全且低成本地进行AC/DC模块的测试。

发明内容

[0006] 有鉴于此，根据上述对背景技术以及存在的技术问题的理解，本发明旨在提供一种成本较低，且能够全面满足AC/DC模块的功能和性能测试的航空发动机硬件在回路永磁交流发电机(Permanent Magnet Alternator：PMA)模拟器。

[0007] 本发明提出了一种永磁交流发电机模拟器，其用于航空发动机硬件在回路测试，所述永磁交流发电机模拟器包括永磁交流发电机模型机模块，其包括永磁交流发电机模型和故障模型，所述永磁交流发电机模型和所述故障模型均为实时数学模型，所述永磁交流发电机模型机模块将第一输入信号处理后输出第一输出信号；永磁交流发电机控制器模块，其以所述第一输出信号和第二输入信号作为其输入信号并经处理后输出第一控制信号；以及永磁交流发电机执行器模块，其根据所述第一控制信号输出相应的第二输出信号，并同时输出用于所述永磁交流发电机控制器模块闭环控制的反馈信号，其中，所述第一输入信号为与所述永磁交流发电机模拟器相连接的发动机模型所输出的N2转速信号和故障模式信号，所述第二输入信号即为所述反馈信号，所述的第二输出信号为所述永磁交流发电机模拟器所模拟的永磁交流发电机的输出信号。

[0008] 在一个实施例中，所述永磁交流发电机模型机模块通过模拟仿真软件实现。以此，该模型机模块能够通过开发环境Simulink(Mathworks公司仿真软件)在计算机中虚拟地产生，而且能够通过该软件生成并运行应用于测试的实时代码。

[0009] 在一个实施例中，所述永磁交流发电机模型机模块能够接受参数设置和调整。以此，能够在测试过程中，根据测试需求手动地调节相关参数，达到有目的性地进行测试的目的。

[0010] 在一个实施例中，所述永磁交流发电机执行器模块包括电源装置，其用于将220V交流电经降压、滤波及整流后输出直流电；三相逆变器，其用于将所述电源装置输出的直流电逆变为与待模拟的永磁交流发电机频率一致的交流电，所述三相逆变器的输出电压低于待模拟的永磁交流发电机的输出电压；三相升压变压器和阻抗匹配装置，其用于将所述三相逆变器的输出电压提升至与待模拟的永磁交流发电机的输出电压一致并将其滤波，同时产生与待模拟的永磁交流发电机的输出阻抗一致的输出阻抗；电压电流检测传感器，其用于测量所述三相升压变压器的输出电压和电流并将其作为所述反馈信号反馈至所述永磁交流发电机控制器模块；以及故障注入继电器，其通过固态继电器实现待模拟的永磁交流发电机的断路和短路故障。

[0011] 在一个实施例中，所述永磁交流发电机控制器模块包括传感器采集电路，其用于接收所述电压电流检测传感器的输出信号；逆变器驱动电路，其用于驱动所述三相逆变器；以及通信电路，其用于传输所述第一控制信号。以此，控制模块所需的反馈信号能够被采集并传输至控制模块。

[0012] 在一个实施例中，所述三相逆变器使用MOSFET(Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应管)作为开关元件并基于空间矢量脉宽调制原理实现逆变波形输出。

[0013] 在一个实施例中，所述三相升压变压器和阻抗匹配装置包括功率电感和功率电阻并将其串联于电流回路中。

[0014] 在一个实施例中，所述功率电感为绕线式磁屏蔽功率电感，且所述功率电阻为金属膜无感电阻器。以此，能够方便地实现该些功率器件的更换。

[0015] 在一个实施例中，所述故障注入继电器串联于电流回路中并由所述永磁交流发电机控制器模块控制所述故障注入继电器的开关状态。

[0016] 航空发动机硬件在回路永磁交流发电机模拟器全部采用电子元件实现永磁交流发电机模拟，无机械噪音，环境友好，可适用于对环境要求较高的实验环境中；同时，系统结构简单、无机械磨损，寿命更长且可靠性更高；系统无冷却和润滑部件，提高了可维护性。

[0017] 电气系统时间常数小于机械系统时间常数，模拟器通过永磁交流发电机模型计算输出电流和电压，经逆变、升压、阻抗匹配、通过传感器测量得到实际输出电压、电流，比较两者差值并将其送入比例积分(Proportional Integration：PI)控制器，构成闭环系统。故该系统响应速度和动态精度远大于拖动台。

[0018] 通过永磁交流发电机故障模型，可实现拖动台上设备损坏风险较高的短路及断路故障注入实验，降低了实验成本。

[0019] 永磁交流发电机模拟器完全采用程序控制，易于实现测试自动化，提高了测试系统可测试性；此外，模拟器方便集成于更大规模的仿真平台上，例如与飞机电源模拟器协同完成适航实验。

[0020] 总而言之，本发明所述的航空发动机硬件在回路永磁交流发电机模拟器能够覆盖航空发动机永磁交流发电机所有正常和非正常的工作状态，模拟AC/DC模块一切可能的输入状态，实现航空发动机永磁交流发电机在一切可能输入转速条件下输出的电流和电压的模拟，同时具有线缆以及绕组故障注入能力，并兼具有低成本、低噪音、高响应速度等优点。

[0021] 本发明的以上特性及其他特性将在下文中的具体实施方式部分进行明确地阐述。

附图说明

[0022] 通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0023] 图1示出了现有技术中AC/DC模块测试装置的示意图；

[0024] 图2示出了具有本发明所述的永磁交流发电机模拟器的AC/DC模块测试装置的一个实施例的示意图；以及

[0025] 图3示出了图2所示的实施例的结构详图。

[0026] 在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的模块(装置)。

具体实施方式

[0027] 图1示出了现有技术中AC/DC模块测试装置的示意图。其中，拖动台120包括电动机122、电动机驱动器121、齿轮箱123和相应的冷却和润滑设备124及125，以及永磁交流发电机绕组126和127。其模拟发电机相间短路、绕组间短路实验时会产生较大的短路电流，极限情况下会烧毁永磁交流发电机绕组，导致较高的实验成本且发电机匝间短路无法实现动态模拟，进而无法实现电子控制器的全面测试；此外，电动机工作时高速旋转会形成高频噪声源，对实验环境造成较大的震动及噪音干扰，限制了测试设备的安装范围。为了有效解决上述问题，本发明提出了如图2所示的技术方案，以本发明提出的永磁交流发电机模拟器替代图1中的拖动台120，而其他两部分，即发动机模型110和AC/DC模块130均没有变化。

[0028] 图2示出了具有本发明所述的永磁交流发电机模拟器的AC/DC模块测试装置的一个实施例的示意图。本发明提出的航空发动机永磁交流发电机模拟器220，其接收发动机模型110输出的N2转速信号和故障模式信号，根据发电机实时模型计算结果，通过功率元件及故障注入继电器，模拟永磁交流发电机正常及故障状态输出，从而实现对AC/DC模块的全面测试。

[0029] 具体地，上述航空发动机永磁交流发电机模拟器220由以下几部分组成：

[0030] 1)模型机221，其运行永磁交流发电机实时数学模型，以发动机模型110输出N2转速、故障模式和传感器226(a)、226(b)及226(c)反馈EEC模块230的负载信号为输入，经计算获得待模拟永磁交流发电机正常及异常状态下的电流、电压和频率值，作为控制指令输入至永磁交流发电机模拟器控制器223；该模型机支持Simulink模型，并可实现模型的RTW(Real-time Workshop：Mathworks公司软件)代码生成、编译、链接、下载和运行。

[0031] 2)降压、滤波和整流装置222(a)、222(b)，其将输入的交流市电经降压整流和滤波后生成低压直流电，为三相逆变器供电。

[0032] 3)永磁交流发电机模拟器控制器223，其实现永磁交流发电机模拟器输出控制、反馈信号采集。输出控制部分包括双路三相逆变器控制和故障注入继电器控制；反馈信号采集包括阻抗匹配网络(S25(a)、S25(b))输出电流及电压测量和采集。

[0033] 4)三相逆变器224(a)、224(b)，三相逆变器将降压、滤波和整流装置222(a)、222(b)输出的直流电转换为交流电。上述交流电输出频率与待模拟永磁交流发电机频率一致，输出电压小于待模拟永磁交流发电机电压。

[0034] 5)三相升压变压器/阻抗匹配网络225(a)、225(b)，三相升压变压器提高逆变器输出电压、实现逆变器输出滤波；阻抗匹配网络为可更换的电阻和电感串联而成，用于匹配输出阻抗，与真实永磁交流发电机一致。

[0035] 6)电流及电压传感器226(a)、226(b)、226(c)，其测量三相变压器输出的相电流、相电压，提供AC/DC模块负载状态反馈。

[0036] 7)故障注入继电器227(a)、227(b)，通过固态继电器，实现永磁交流发电机断路、短路故障。

[0037] 航空发动机硬件在回路永磁交流发电机模拟器220，通过模型模拟永磁交流发电机在发动机所有推力状态下、超转状态下、自身故障(相间短路、匝间短路、绕组间短路)状态下电流、电压和频率输出；通过永磁交流发电机模拟控制器223、三相逆变器224(a)、224(b)、升压变压器225(a)、225(b)实现功率输出；通过电感和电阻构成的串联网络实现输出阻抗匹配，使模拟器输出阻抗和永磁交流发电机绕组阻抗一致；通过传感器226(a)、226(b)、226(c)测量输出电压和电流，反馈至永磁交流发电机模拟器控制器223中与模型计算结果进行比较，并通过PI算法消除静差，使反馈值与模型计算输出值一致，构成闭环系统，实现航空发动机永磁交流发电机模拟功能。

[0038] 图3示出了图2所示的实施例的结构详图。更具体地，图2所示的各个模块能够通过如下虚拟模块或者电子元器件实现。

[0039] 其中，永磁交流发电机模型机321，其主要功能有：永磁交流发电机实时数学模型计算、永磁交流发电机故障模式存储、发动机模型机指令信号接收、反馈信号接收、控制指令信息发送。系统硬件组成方面：优选TI TMS320F28335DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)作为主芯片，解算永磁交流发电机数学模型；优选以太网物理层和协议层芯片，接收发动机模型机指令信号；优选SPI总线作为电流电压反馈信号接收和控制指令发送物理层；优选片内Flash作为故障模式存储的非易失存储器。而降压、滤波和整流装置323(a)、323(b)，其功能是为逆变三相逆变器提供恒定低压直流电源，作为重要的控制部件，永磁交流发电机模拟器控制器322，其负责总线驱动、执行器件驱动、反馈信号采集，该控制器由MOSFET驱动器322(a)、322(b)、FPGA(322(d))(Field Programmable Gate Array：用户可编程门阵列)和MCU(S322(c))(Microcontroller Unit：微控制器单元)组成。MCU优选STM32F205芯片，内置模数转换电路，采集反馈电流和反馈电压信号；MCU外置功率驱动电路，控制故障注入继电器327(a)和327(b)开关，实现短路和断路故障注入；MCU负责总线通信，接收永磁交流发电机模型机控制指令，并反馈负载状态信息。FPGA接收来自MCU的频率和电压信息，并将其转换为SVPMW(Space Vector Pulse Width Modulation：空间矢量脉宽调制)波形，控制MOSFET驱动器实现三相逆变器的控制。

[0040] 此外，三相逆变器324(a)、324(b)能够采用六个MOSFET芯片作为功率驱动芯片，通过控制各芯片开关顺序实现逆变功能。升压变压器325(a)、325(b)将较低的逆变器输出电压升压至待模拟永磁交流发电机实际输出电压；升压变压器线圈等价于电感，可滤除逆变器输出电压中的高次谐波分量；变压器具有隔离功能，可模拟永磁交流发电机绕组隔离特性。阻抗匹配网络326(a)、326(b)的每相输出均串联电阻和电感，每相串联电阻与变压器相电阻值之和与待模拟永磁交流发电机一致，串联电感与变压器每相电感之和与待模拟永磁交流发电机每相电感一致。上述电阻与电感构成阻抗匹配网络，与真实永磁交流发电机输出阻抗一致。而电流检测328(a)、328(b)、328(c)电路通过隔离差分放大电路采集并放大电阻两端电压差实现输出电流的检测。同时，电压检测329(a)、329(b)、329(c)电路通过分压电阻测量每相输出电压、经隔离和放大后实现输出电压的检测。最后，故障注入继电器327(a)、327(b)通过固态继电器，实现永磁交流发电机断路、短路故障模拟。

[0041] 本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。本专利覆盖在字面上或在等同原则下落入所附权利要求的范围的所有装置和产品。