“更多电动”飞机中的电机控制

着商用和国防飞机用户和集成商寻求降低成本，我们看到“更多电动”飞机（MEA）设计的出现。这些飞机通过更快、更轻松的维护检查来降低运营和维护成本，通过减少平均故障间隔时间 （MTBF） 来提高飞机可用性，并减少废气排放，因为它们更轻、更高效，并且机载笨重的系统更少。MEA概念专门用电气系统取代了传统的液压，气动和机械系统，这些系统重量更轻，更易于安装和维护，并改善了燃料消耗。目标是最终拥有一架全电动飞机。

传统上，所有非推进动力都是从飞机的发动机中提取的。空气从发动机的高压压缩机排出;由此获得的气动动力用于为环境控制系统提供动力，并为机翼防冰系统提供热空气。机械变速箱将机械动力从发动机传递到中央液压泵 - 使用贯穿整个飞机的管道系统 - 为主要和次要飞行控制，起落架展开，缩回和制动的驱动系统以及许多其他需要执行器的系统提供液压动力。机械变速箱的一部分还将其机械动力传递到发电机，发电机除了为航空电子设备、机舱和飞机照明提供电力外，还提供其他负载（例如娱乐系统）的电力。

电气系统相对于液压系统的优势

液压系统使用成熟的技术，与使用电气技术可获得的改进相比，效率的可能改进可以忽略不计。液压系统由中央电动泵组成，中央电动泵通过从发动机短舱延伸的管道产生液压，穿过防火墙，穿过塔架，进入轮舱、机翼和整个机身。每个液压系统都需要压力和回油管路以及泵的箱体排水管。这些系统通常是三重冗余的，管道可防止液压系统中的易燃液体。然而，所有这些保护、冗余和管道都很沉重。相比之下，MEA实现了更简单的结构解决方案，整个飞机所需的隔热罩更少，易燃流体保护更少。这种简化导致飞机更轻，复杂性更低，飞机结构的认证要求更低。

对于液压系统，所有这些管道都需要维护，以防整个管道路径泄漏，而发动机驱动的泵和压力密封件也需要不断进行维护检查。这些系统的维护成本很高，而且液压系统的MTBF很短。另一方面，使用电动液压或全电动执行器的电动系统，整个飞机不再需要液压管，从而大大减少了总重量。空中客车公司估计，当液压副翼执行器被电液或机电执行器取代时，A380飞机的重量减轻了约1，000磅。消除大部分液压系统还可以提高系统的MTBF，使其更加可靠。由于液压泵系统是发动机上的连续负载，而电力负载是按需/仅在需要时，因此性能得到了额外的改进。所有这些节省和改进降低了飞机的整体燃料需求，并进一步降低了运营成本。此外，驱动功率的高效隔离和独立性为整个系统提供了稳健性。

MEA在执行器上面临的挑战

开发更多电动飞机存在重大挑战，其中之一是电力的监控和分配。需要对分布在整个飞机上的所有电气系统进行联网电子控制。由于现在每个系统都需要电力，因此控制架构必须得到改进和足够的弹性，以处理飞行控制系统等系统的高可靠性要求。每个执行器都有电子设备，用于执行执行器的电机控制和健康监控，为飞行控制提供反馈。这些执行器电子设备暴露在工作温度、压力和海拔高度方面的恶劣环境条件下。最新的基于闪存的现场可编程门阵列（FPGA）能够在这些恶劣的环境中以高可靠性运行。

通过MEA概念，现在设计的电动执行器通常使用永磁无刷交流电机，这需要复杂的电子设备来执行控制和监控功能。比例积分（PI）控制器、空间矢量调制、脉宽调制（PWM）、限速器、位置和速度估计器以及其他用于控制和监控执行器的工具的开发非常耗时，在用于航空执行器之前需要强大的验证和验证。有很多方法可以解决这个问题，包括使用微控制器 （MCU）、数字信号处理器 （DSP）、专用集成电路 （ASIC） 和 FPGA。

MCU和DSP传统上用于单轴和双轴电机控制设计中的算法处理。在处理运行状况监控、报告、安全通信以及多轴或高旋转电机的安装要求时，MCU 和 DSP 不如基于闪存的 FPGA 解决方案。基于闪存的FPGA提供比基于MCU/DSP的解决方案更高的性能，用于高速、低延迟的算法处理，并支持集成其他系统的功能，以进一步降低总拥有成本。

针对飞机电机控制应用的电力电子设备的优化需要宽频带的开关频率来提高系统的性能。DSP 和 MCU 在需要在较高开关频率范围内工作的应用中表现不佳。一些DSP可能会针对高频开关优化几个通道，但它们缺乏快速适应不断变化的要求的能力。它们还缺乏添加更多脉宽调制（PWM）通道来控制电力电子级的能力。在当前系统中，此要求通常卸载到FPGA。ASIC 和专用标准产品 （ASSP） 具有与 DSP 和 MCU 相同的灵活性和扩展挑战。

电机控制设计受益于降低静态和总功率，尤其是在高频和高温下。与使用六晶体管SRAM单元的替代产品相比，具有嵌入式单晶体管闪存单元的FPGA具有优势，后者在上电期间必须通过外部ROM进行配置。最新的基于闪存的FPGA解决方案使用全面的方法来最大限度地降低功耗，与基于SRAM的FPGA解决方案相比，总功耗降低50%，静态功耗降低10%。

MEA执行器上使用的无刷交流电机的电机控制日益复杂，许多问题可以通过实施和使用基于闪存的FPGA作为其主控制器来解决。

支持 MEA 系统架构的 FPGA

向MEA的初步过渡目标是使用电液或机电执行器。这种设计过渡是通过动力驱动电子设备（PDE）引入的，PDE使用电力供应而不是传统的液压电源来控制执行器表面。PDE 电源核心模块 （PCM） 包括混合电源驱动器 （HPD），用于执行电源转换并驱动驱动电机。PCM 还包含使用 FPGA 实现和控制的数据转换和通信功能。

电机控制算法嵌入在FPGA中，FPGA位于PDE命令模块中。该FPGA被编程为执行各种功能，例如从外部传感器获取位置和速度信息，用于电机控制和通信的数据处理。

需要监控模块来监控偏微分方程的运行状况。这种安全关键功能也是通过FPGA实现的。

动力驱动电子设备的集成在波音787和空客A380等现代商用飞机中已经很明显，但在飞机制造商采用全电动驱动系统之前，需要在技术，效率，可靠性，重量和成本方面取得进步。

FPGA 电机控制 IP

最新的基于闪存的FPGA在美高森美的双轴电机控制套件中具有自己的电机IP套件，用于永磁同步电机（PMSM），无刷直流（BLDC）电机和步进电机，所有这些都配备了编码器和霍尔传感器接口用于监控。电机控制套件还包括用于通信的以太网、UART 和 USB 连接。模块化 IP 套件具有磁场定向控制 （FOC） 转换（克拉克、帕克、反向克拉克和逆停车）、PI 控制器、空间矢量调制、内核 3 相 PWM、速率限制器、位置和速度估计器、编码器接口和步进角度发生器构建模块。它允许采用即插即用的方法，通过其模块化模块实现设计。（图2。

由于 IP 内置于 FPGA 中，因此比在 MCU 或 DSP 上运行的软件更容易认证，因为不需要 DO-178C 认证。VHDL 中还提供了额外的验证和验证文档，可帮助设计人员根据 DO-254 验证其设计。还提供相关软件，使设计人员能够完全访问电机控制参数，例如PI控制器的参考速度和Kp/Ki增益。

图2：电机控制套件功能块（无传感器磁场定向控制技术）。

飞机中的辐射效应

对于飞机上的任何电子设备，都存在单事件翻转（SEU）的危险。电子设备在航空高度经历中子效应的频率是海平面的500倍。这种高水平的中子辐射使SRAM FPGA极易受到配置干扰的影响，这些干扰会改变FPGA的功能，直到检测到并纠正为止。然而，在广泛的中子辐射测试中，基于闪光灯的FPGA没有出现单事件配置翻转或单事件闩锁（SEL）。该测试的总暴露量超过1.1 x 1，012中子/cm2，相当于纽约市海平面超过900万年，或纽约市上空40，000英尺高度的17，400年。这种对配置 SEU 和 SEL 效应的内在抗扰度降低了对冗余和辐射防护的要求，从而降低了未来设计的复杂性。

通往MEA的道路已经开始于空中客车A380，A350和波音B787的设计及其军事等效产品，因为MEA上的执行器将使用越来越复杂的电子设备。基于闪存的FPGA不受中子辐射导致航空高度配置损失的影响，并且具有较大的工作温度范围。此外，还提供一套全面的电机控制 IP 来支持电动执行器中复杂控制和监控功能的快速开发。由于这些原因，MEA程序的执行器控制系统正在选择闪存FPGA。

审核编辑：郭婷