多電發動機分布式控制系統總體方案研究

賈淑芝，吳 新 ，李 斌

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

多電發動機分布式控制系統總體方案研究

賈淑芝，吳 新 ，李 斌

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

多電發動機控制系統十分復雜，需要采用分布式控制。分布式結構易于從部件級到子系統級再到系統級進行試驗，同時大多數試驗可通過仿真程序同步進行。基于某型發動機技術平臺的分布式控制系統總體方案，在保留原平臺的控制功能和控制規律基本不變的情況下，按多電發動機控制要求，大量采用電介質替代燃油介質實現控制功能，并按分布式控制方式進行系統總體方案設計。重點驗證了新增控制功能、新原理控制元件和控制方法以及分布式控制總體運行模式，使其能在現有發動機平臺上進行多電發動機分布式控制關鍵技術驗證。

多電發動機；分布式控制；電力驅動；渦扇發動機

0 引言

多電航空發動機關鍵部件和系統主要包括磁懸浮軸承、備用軸承、內置式起動/發電機和分布式控制系統等，其關鍵技術的進展主要取決于這些部件技術的突破和其一體化設計技術的完善。

多電發動機控制系統的特點是大量控制附件采用電力驅動替代了液壓驅動，采用裝在發動機內部的內置式起動/發電機和磁浮軸承等。控制系統和其分系統均很復雜。采用分布式控制方式可以使發動機復雜性降低，質量減輕，可靠性提高，維修性和故障隔離特性改善，全壽命成本降低；還可以大大減輕中央控制器的計算負擔，為采用復雜的控制規律和先進的控制算法提供保證。同時，由于每個智能裝置均可以進行自檢和診斷，從而降低了維修成本，并在采用新的元件級技術時對中央處理計算機的改動最小，設計和升級的靈活性大。因而，對渦扇發動機應用多電技術的分布式控制系統的總體方案進行研究很有必要。

1 控制系統總體方案

該控制系統以某型渦扇發動機為技術平臺，取消了發動機中央傳動機構和回油管路等附件，控制附件由原來機械傳動改為由電力驅動。保持原有發動機的主要控制功能和控制規律不變，增加磁浮軸承控制和內置式起動/發電機的控制。

本方案主要驗證多電發動機分布式控制系統的運行模式及電力驅動和磁浮軸承的控制功能。因此，涉及的發動機工作模式不包括加力狀態和噴口控制。分布式控制系統的組成如圖1所示，包括供油系統控制器、狀態控制器、中央控制器、起動/發電機控制器、主動磁浮軸承控制器、低壓壓氣機導向器調節步進電機控制器、高壓壓氣機導向器調節步進電機控制器、噴口調節步進電機控制器、主點火系統控制和參數采集與處理系統9部分。通過核心控制單元中央控制器和各子控制器共同工作，在發動機穩態和過渡態工作時實現各種控制和狀態監控等功能。

以下重點敘述分布式控制系統在原控制系統基礎上需要改變的控制功能。

1.1 中央控制器功能

中央控制器通過帶余度的高速數據總線與安裝在發動機上的新型智能傳感器和多個子控制器相連，每個子控制器都具有一定的數字處理能力，可完成當地控制功能；中央控制器作為飛機通訊總線上的1個節點，與飛機控制器共享數據資源，實現發動機與飛機的綜合控制。

中央控制器根據來自飛機的操縱指令，控制發動機各子控制器完成發動機的起動控制、狀態控制和發動機狀態監視功能。除中央控制器完成整機的監視外，發動機狀態監視系統各子系統完成各自的監視、故障診斷和隔離功能。

1.2 發動機起動控制

發動機由電動機起動。起動控制點火時序保持不變，供油則是按起動供油控制規律進行控制。同時，增加了磁浮控制程序和起動連鎖。在電機旋轉之前，要保證磁浮軸承懸浮起來。對內置式起動/發電機還要有起動與發電功能轉換的控制。起動控制原理如圖2所示。

1.3 發動機幾何調節控制

發動機的幾何調節包括低壓、高壓壓氣機導向葉片角度控制和噴口的收放控制。α1控制的原理如圖3所示（α2控制的原理與此相同）。通過來自中央控制器的低壓、高壓壓氣機導向葉片角度給定信號與來自發動機低壓、高壓壓氣機導向葉片角度實測反饋信號比較的差值，控制步進電機帶動渦輪蝸桿機構和葉片導向器傳動機構達到設定位置；通過來自中央控制器的高壓轉子換算轉速，控制步進電機帶動渦輪蝸桿機構和噴口收放裝置達到預定位置。噴口控制原理如圖4所示。

1.4 發動機狀態控制

發動機狀態控制原理如圖5所示。

發動機狀態控制主要完成發動機節流、中間和過渡狀態的發動機控制功能。

在發動機節流和過渡狀態下，通過控制主燃油流量來實現對發動機轉速的控制。燃油流量的控制由電動燃油泵按發動機的控制規律要求，直接按需供油，與發動機轉速沒有直接關系，無需回油。來自油門桿的操縱信號通過中央控制器解算出對應的主燃油流量需求，輸出控制信號給電動燃油泵控制器（質量流量）。由電動燃油泵控制器采集流量傳感器的反饋信號（體積流量），根據燃油溫度反饋信號對燃油流量進行修正，計算出齒輪泵供出的質量流量，輸出控制信號控制電機的轉速。為精確控制電機轉速，電動燃油泵帶有轉速閉環。電機驅動齒輪泵按設定的轉速旋轉，齒輪泵輸出的燃油經過液壓管路和噴嘴到達發動機的主燃燒室。

與節流狀態不同，在發動機中間狀態，主燃油流量控制增加了n1、n2和T6調節通道的增量最小值選擇器。

通過中央控制器內部n1、n2和T6限制值控制規律，求取相應各參數設定值、增量和增量最小值。

為保證在發動機中間狀態下主燃油流量控制計劃的實現，最小值選擇器選擇n1、n2和T6三者偏差最小的信號作為主燃油調節通道的控制信號，由控制器將其轉換成主燃油流量的變化，通過電動燃油泵控制系統去完成主燃油流量的調節。

1.5 主動磁浮軸承控制

在接到來自中央控制器的發動機起動指令后，由發動機主動磁浮軸承系統進行主動磁懸浮的控制。對控制系統的要求是：磁軸承系統在整個發動機工作過程中要保證具有良好的穩定性，在發動機相應的臨界轉速下要有足夠的阻尼，同時要有良好的抗突加載荷能力。單自由度磁浮軸承控制系統原理如圖6所示。磁浮軸承控制系統組成包括電磁鐵、轉子、控制器、功率放大器、轉子位移傳感器和位置控制器等。其中，位置控制器有電流控制器和電壓控制器2種。電流控制算法簡單，易于實現PD或PID控制，適于小型系統；電壓控制模型更為精確，魯棒性好，適于大型或超大型系統。功率放大器一般采用開關功放，優點是功耗小、效率高、體積小。位移傳感器目前應用最多的是電渦流式傳感器，具有靈敏度高、線性測量范圍大且成本低、體積小等優點。

磁浮軸承控制系統可通過調整控制參數來改變磁浮軸承轉子系統支承的剛度和阻尼，改善磁浮軸承轉子系統的動力學性能，實現主動控制。

2 多電發動機控制系統關鍵技術

2.1 控制系統技術難點

（1）由于大量采用電力驅動，對系統抗電磁干擾能力要求更高。

（2）控制器、智能傳感器、作動器安裝位置工作環境苛刻（溫度高、振動大）。

（3）輕質量的變速、變流量電動燃油泵和高精度可控步進電機制造技術。

（4）磁浮軸承控制系統可靠性和耐高溫、輕質量、小型化硬件設計技術。

（5）分布式控制系統的總體結構和運行模式。（6）余度多路傳輸光纖總線。

（7）多余度數字處理機和并行處理技術。

2.2 技術措施和研究方向

（1）采用高速數據傳輸總線、光導通信總線、光學接口和光纖傳感器；

（2）發展能在350～400℃高溫下長期工作的耐高溫半導體器件、絕緣技術和絕緣材料；

（3）研究以砷化鎵等材料為基礎的能與光纖總線一起工作的集成電路設計技術和生產工藝；

（4）采用高功率密度（高頻響）的電動機和工作效率較為穩定的齒輪泵，發展耐高溫有機基復合材料和金屬基復合材料；

（5）開展以冗余設計為主要途徑的容錯技術、電子元器件的集成化/微型化/低功耗技術研究；

（6）開展高溫電子設備的熱管理技術研究。

3 結束語

多電分布式控制的采用，將簡化控制結構，提高控制系統的可靠性。多電發動機不僅將改變傳統航空發動機的結構布局，而且將引進采用新的控制功能、控制模式、控制原理的控制元件和控制方法，從而引起發動機控制系統的重大改革。

基于渦扇發動機多電技術控制系統可以與其它多電發動機關鍵技術并行開展研究，其系統的驗證通過半物理模擬試驗進行。目前，磁浮軸承、內置式起動/發電機的研究已經突破理論研究階段，開始工程化應用研究；分布式控制系統的研究還處于理論研究階段，在數字式控制系統逐漸成熟的基礎上，盡早開展其試驗研究，以推動控制系統相關技術的發展。

[1]Clark D J,Jansen MJ,Montague G T.An overviewof magnetic bearing technology for gas turbine engines [R].N20040110826XSP.

[2]AlbertF K.High-temperaturemagneticbearingsbeingdeveloped for gas turbine engines[R].N2005017721.

[3]David J P,Geraint W J,Jason D E.An integrated starter generator for a large civil aero-engine[C]//3rd International Energy Conversion Engineering Conference.San Francisco,California,2005.

[4]Thomas R E.Performance and weight impact of electric environmental control system and more electric engine on citation CJ2[R].AIAA-2007-1395.

[5]Canova M,Sevel K,Guezennec Y,et al.Control of the start/stop of a diesel engine in a parallel HEV with a belted starter/alternator[R].SAE-2007-24-0076.

[6]胡業發.磁力軸承的基礎理論與應用[M].北京:機械工業出版社，2006:1-225.

[7]汪希平，謝建華，朱禮進，等.電磁軸承在航空發動機應用中的設計問題分析[J].航空發動機，2002（1）:4-8.

[8]張剛，汪希平.實驗用航空發動機磁懸浮軸承樣機的穩定性分析[J].航空發動機，2002（2）：1-5.

Concept Research on Distributed Control System of More Electric Engine

JIA Shu-zhi,WU Xin,LI Bin
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The distributed control was required to adopte for the control system of the more-electric technology due to its complexity.The control system can be easily validated by simulation from parts,subsystems to systems,and most validation can be simultiniously conducted.An overall design proposal of distributed control system was proposed based on a technical platform ofturbofan engine.According to MEE（More Electric Engine）demands,the proposal was designed using electrodynamic based on the original control functions and laws.The MEE key technologies,such as new control functions,new control elements,new control methodologies and overall operation modules can be validated on this platform.

more electric engine； distributed control； electrodynamic； turbofan engine

賈淑芝（1965），女，自然科學研究員，主要從事航空發動機控制與預先研究工作。