一種小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐鈺婷，仇小杰

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063)

1 引言

自20世紀(jì)90年代起，市場對(duì)作為小型飛行器動(dòng)力裝置的小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量逐步增大。同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，國外很多發(fā)達(dá)國家已著手進(jìn)入多電發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域[1-4]。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是多電發(fā)動(dòng)機(jī)的核心之一，先進(jìn)的數(shù)字電子控制系統(tǒng)已經(jīng)開始發(fā)展電力驅(qū)動(dòng)、智能化、分布式的控制技術(shù)[5-6]，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)降低復(fù)雜性、減輕質(zhì)量、提高可靠性、改善維修性和降低成本提供了切實(shí)可行的解決途徑[7-10]。目前，國外圍繞小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研制配套的多電控制系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，開始形成系列化發(fā)展格局；而國內(nèi)對(duì)小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用多電控制系統(tǒng)的技術(shù)研究和工程化實(shí)現(xiàn)，是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的重要發(fā)展領(lǐng)域[11]。

本文以某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，針對(duì)其提出的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以小體積、輕質(zhì)量、低成本、高可靠性為改進(jìn)目標(biāo)，在保持發(fā)動(dòng)機(jī)原有主要控制功能和控制規(guī)律不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、靈活智能的多電控制系統(tǒng)，同時(shí)完成了系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)子、幾何不可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，多電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為圖1 所示的典型單變量控制系統(tǒng)，控制量為燃油流量，被控量為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 多電控制系統(tǒng)總體方案Fig.1 The overall design scheme of the more electric control system

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)(發(fā)動(dòng)機(jī)物理轉(zhuǎn)速Ne、進(jìn)口溫度T1、風(fēng)扇后溫度Tz、壓氣機(jī)后壓力p3等)并接收一體化制導(dǎo)機(jī)通訊發(fā)送的操縱指令(飛行高度H、目標(biāo)轉(zhuǎn)速Ncor、起動(dòng)指令等)，按照發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律計(jì)算出所需的燃油給定Wfm，然后通訊發(fā)送給電動(dòng)燃油泵，通過精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)供油流量的調(diào)節(jié)，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、加速、巡航、停車等控制功能及其他限制功能。

此方案具有分布式控制的優(yōu)點(diǎn)，將電動(dòng)燃油泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速解耦。電動(dòng)燃油泵只作為整個(gè)控制系統(tǒng)的供油執(zhí)行部件，按核心計(jì)算控制單元的指令對(duì)燃油流量進(jìn)行精確控制。電動(dòng)燃油泵的控制有明顯的功率特征，其分布出來成為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)后，也降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，電動(dòng)燃油泵的供油模式為按需供油，直接根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的需要控制燃油流量，無需回油，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。

2.2 閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的控制需求，確定控制系統(tǒng)的控制回路為轉(zhuǎn)速控制回路，即通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)控制?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)控制算法原理見圖2。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器內(nèi)部的閉環(huán)控制通過接收到的轉(zhuǎn)速指令和采集到的轉(zhuǎn)速反饋計(jì)算出對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的燃油流量給定，并發(fā)送給電動(dòng)燃油泵；電動(dòng)燃油泵內(nèi)部構(gòu)建以速度環(huán)為外環(huán)、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，依據(jù)接收到的燃油給定指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變齒輪泵輸出給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量。

由此閉環(huán)控制算法原理可知，控制系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的外閉環(huán)和電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的內(nèi)閉環(huán)的兩個(gè)回路的串級(jí)控制，在內(nèi)回路中抑制電動(dòng)燃油泵對(duì)象的干擾，降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)象的影響，同時(shí)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器是控制系統(tǒng)的核心控制單元，要負(fù)責(zé)與一體化制導(dǎo)機(jī)的指令交互及信息反饋，完成規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)供油時(shí)序和供油量計(jì)算，作為中央控制器和子控制器一起完成發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)和過渡態(tài)控制，以及工作狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷、隔離的任務(wù)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)需要兼顧小型化、易擴(kuò)展的要求。

依據(jù)本多電控制系統(tǒng)的方案規(guī)劃，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器硬件需要具備以下功能：

(1) 為傳感器提供激勵(lì)電源；

(2) 對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集處理；

(3) 開關(guān)量輸入信號(hào)采集；

(4) 對(duì)控制輸入和控制輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

(5) 提供嵌入式軟件運(yùn)行的CPU 平臺(tái)，提供相應(yīng)中斷源；

(6) 協(xié)同控制軟件可實(shí)現(xiàn)的自檢；

(7) 電源監(jiān)測和看門狗；

(8) 與一體化制導(dǎo)機(jī)、電動(dòng)燃油泵雙向通訊。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示，主要由信號(hào)處理模塊、輸入模塊、控制模塊、輸出模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊和電源模塊等組成。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制器結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Structure schematic diagram of engine controller

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器軟件為嵌入式軟件，加載在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器內(nèi)部，采用定時(shí)中斷的方式達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)硬件底層接口編程、數(shù)據(jù)采集、通訊處理和應(yīng)用層控制算法、控制規(guī)律、控制策略?？刂栖浖偭鞒倘鐖D4所示。

圖4 控制軟件總流程Fig.4 Control software flow chart

2.4 電動(dòng)燃油泵設(shè)計(jì)

考慮該型發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特點(diǎn)和質(zhì)量、體積與成本，電動(dòng)燃油泵采用一體化設(shè)計(jì)，主要由永磁同步電機(jī)、電機(jī)控制器、燃油齒輪泵、定壓活門、起動(dòng)電磁閥、燃油分布器等組成，如圖5所示。根據(jù)電動(dòng)燃油泵負(fù)載特性，在泵前、泵后壓力不變時(shí)，電動(dòng)燃油泵轉(zhuǎn)速與燃油流量成特定關(guān)系。電動(dòng)燃油泵工作時(shí)，電機(jī)控制器根據(jù)接收到的燃油流量給定計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過精確控制與電機(jī)轉(zhuǎn)軸固連的燃油齒輪泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供油量，燃油經(jīng)過燃油分布器后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖5 電動(dòng)燃油泵工作原理Fig.5 Schematics of the electric fuel pump

電機(jī)選用體積小、質(zhì)量輕、功率密度高、過載倍數(shù)大、發(fā)熱量小、效率高的永磁同步電機(jī)。電機(jī)控制器作為電動(dòng)燃油泵的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)處理電動(dòng)燃油泵與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的通訊，并完成電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)(繞組溫度、繞組電流、旋轉(zhuǎn)變壓器)和開關(guān)量輸入信號(hào)采集、回路(轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán))閉環(huán)控制、起動(dòng)電磁閥驅(qū)動(dòng)等功能，內(nèi)部加載電動(dòng)燃油泵的控制軟件。永磁同步電機(jī)選取矢量控制技術(shù)控制，其相對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制，輸出轉(zhuǎn)矩更平穩(wěn)，電流利用率更高，具有更好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能。永磁同步電機(jī)矢量控制的電流控制策略選取轉(zhuǎn)矩電流比最大控制，相比其他控制方式可輸出的力矩更大，電磁損耗也更小。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 半物理模擬試驗(yàn)

在半物理模擬環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的多電控制系統(tǒng)的控制效果。發(fā)動(dòng)機(jī)采用模型，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和電動(dòng)燃油泵采用實(shí)物，傳感器采用DA輸出進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。以控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和加減速試驗(yàn)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制試驗(yàn)曲線見圖6，電動(dòng)燃油泵轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制試驗(yàn)曲線見圖7。圖中，Neg為發(fā)動(dòng)機(jī)物理轉(zhuǎn)速給定，nDem為電機(jī)轉(zhuǎn)速給定，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋。圖6 中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制精度為±0.02%，加速時(shí)間為2.9 s，減速時(shí)間為3.65 s。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制半物理試驗(yàn)曲線Fig.6 Engine speed closed-loop control curve of semi physical test

圖7 電動(dòng)燃油泵轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制半物理試驗(yàn)曲線Fig.7 Electric fuel pump speed closed-loop control curve of semi physical test

半物理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，該多電控制系統(tǒng)可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可以參加發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試車。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試車

發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試車結(jié)果如圖8 所示，包含發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、慢車、穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)和停車的整個(gè)地面試車動(dòng)態(tài)特性曲線。由圖可知，整個(gè)試車過程中，該多電控制系統(tǒng)具有良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能性能，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試車曲線Fig.8 Engine ground test curve

4 結(jié)論

結(jié)合某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)燃油控制系統(tǒng)的需要，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用背景和研制訴求，設(shè)計(jì)了一種小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多電控制系統(tǒng)。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的多電分布式總體方案，并在此方案基礎(chǔ)上根據(jù)控制需求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)閉環(huán)控制算法，對(duì)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)提供了解決方案，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計(jì)的小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多電控制系統(tǒng)完成了工程實(shí)現(xiàn)，并在半物理模擬試驗(yàn)環(huán)境和地面臺(tái)架試車環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明其可滿足小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的控制要求，具有良好的應(yīng)用前景。