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1、飞机供电系统的Saber仿真收稿日期 :2006-10-27 修回日期 :2007-02-09第 25卷 第 2期计 算 机 仿 真2008年 2月文章编号 :1006-9348(2008 02-0070-04飞机供电系统的 Saber 仿真吴小华 , 徐 刚(西北工业大学 , 陕西 西安 710072摘要 :飞机供电系统是整个飞机系统的重要组成部分 , 负责向机上所有电气负载提供高可靠性的电能。利用仿真 软件 S aber 建立了一个具有双余度的飞机供电系统的仿真模型 , 在逐步建立起系统各个主 要模块的基础上 , 搭建起一个能 够保证稳定 供电的飞机供电系统 , 并对系统在各个故障模式下的

2、工作情况进行整体仿 真。仿真结果表明 , 该系统结构紧 凑 , 功能完善 , 在各种故障模式下都能够稳定运行 , 并提供连续稳定的电能。此外该系统还具 有很好的扩展性 , 对于其他飞机 供电系统的 设计具有一定的参考价值。关键词 :飞机供电系统 ; 仿真 ; 双余度 ; 故障模式 中图分类号 :TP391 9 文献标识码 :ASaber Si m ul ation of A ircraft Po w er Supp l y Syste mWU X iao-hua , XU G ang(N orthwestern Po l y techn ic U n i versity , X i an Sh

3、anx i 7100072, ChinaAB STRACT :A ircraft power supp l y syste m i s an i m po rtant pa rt o f the whole aircraft sy stem .It i s used to supp l yh i gh-reli able e lectric ity po w er to electr ic l o ads on t he aircraft . In th i s paper a double -redundant a ircra ft powe rsupp l y syste m is est

4、ab lished usi ng si m u lati on so ft ware Saber , after a ll co m ponent m ode ls have been estab lished , an integ ra l pow er supp l y syste m wh i ch can assure h i ghly re liab l e electric pow er can be fi nished . S i m ulati on shows that the syste m i s re liab l e , and i t can prov i de s

5、teady e l ectric power under each fault m ode and has a good expandab ility . K EY W ORDS :A ircra ft pow er supply syste m; S i m ulati on ; D oub l e-redundant ; F au lt mode1 引言飞机供电系统由 电源系统和配电系统组 成 , 负 责向飞机 上所有的用电设备提 供电功率。随着航空技 术的飞速 发展 ,飞机的任务系统、 航空电子系统及飞控系 统的电子 化程度越 来越高 , 因此对供电系统的要求也越 来越高。飞机 供电系统

6、 的结构和控制越来 越复 杂 , 电气 系统的 浪涌、 尖 峰等瞬 态变 化过程 , 会引起飞机机载电子系统产生误 动作甚至 于危险的 操纵、 或对飞机任务设 备的 性能 产生不 利的 影响 , 导致 飞机 任务的取 消。因 此飞 机 供电 系统 的 设计 就显 得 尤为 重 要。 本文 采用 美国 Synopsys 公司 开发 的 Saber 软 件作 为仿 真工 具 , 对飞机供电系 统的 仿真进 行尝 试研 究。文 中利 用 Sabe r 软件中所提供的电路模块搭建 起系统的基本 框架 , 根据系统 的要求对各模块的参数进行设 置 , 并按照 飞机供电 系统的功 能结构对相应 的模 块进

7、行 封装 , 使 系统更 加紧 凑、 合理。最 后对系统进 行仿 真 , 并 给出 系 统在 各个 故 障情 况下 的 仿真波形。2 Saber 软件简介Saber 仿真软 件 是美 国 Synopsys 公 司 开发 的 一 款 EDA软件 , 它为混合信号设 计与 验证提 供了 一个 仿真平 台 , 可以 解决从系统开发到详 细设计 验证等一 系列问 题。 Sabe r 支持 自顶向下的系统 设计 和自底 向上 的具体 设计 验证。在 概念 设计阶段支持模块化的方框图设 计 , 详细 设计阶段可 用具体 元器件组成实际系统。Saber 具有通用模型库和较为精 确的具体 型号的 器件模 型

8、, 其使用的 M A S T 语言是 一种硬 件描述 性语言 , 运 用该语 言可以建立用户所需的 元件或电路模型。 此外 , Saber 还是一 个开放的软件环境 , 它可以与多种 仿真工具软 件如 MATLAB 等接口。使用 Sabe r 软件仿真 将缩短 工程设 计周 期 , 降低设 计及 试验成本 , 并进一步提高产品的设计质量。3 飞机供电系统的仿真模型在本文中 , 将对一个具有双余度供电 能力的飞机 供电系统进行研究 , 该供电系统主要由飞机主 电源 , 应急电源 , 变压 整流器 , 直流逆变器以及 汇流 条功率 控制 单元 (BPC U 等几 部分组成 , 该系统能够完成以下功

9、能 :在正常 情况下 , 由飞机 主电源向飞机上的 各个交 流用 电设备 和直 流用 电设备 进行 供电 , 飞机主电源由两 台三 相同 步交流 发电 机组成 , 两 台发 电机并联工作 , 并在发电控制单元的控制 下向飞机 上各用电 设备进行供电 , 当其中 一台 发电 机出现 故障 时 , 发电控 制单 元能够检测到该 故障 并将 出现 故障 的发 电机 切除 , 此 时系 统由另一台正常工作的发电机 进行供电 , 一旦两台 发电机同 时出现故障 , 则两台发 电机 都被 切除 , 此时 在汇 流条控 制单 元的控制下系统 由应 急电源 进行 供电。由 于飞 机上同 时存 在交流用电设备和

10、直流用电设 备 , 所以还 要建立相 应的变压 整流单元和直流 逆变 单元以 进行 相应的 变换。 该系统 的结 构图如图 1所示。 图 1 飞机供电系统结构图 在利用 Saber 进 行 飞机 供 电系 统仿 真 模型 的建 立 过程 中 , 采用自底 向上 的 方法 , 首先 建 立 起各 个 主要 功 能模 块 (如发电机 , BPC U 等 的 模 型并 对其 进行 封装 , 再 根据 系统 要求将各个模型 连接起 来 , 从而 实现整 个供 电系统 的建 模 , 下面将对系统中几 个关键 部分 的建模 过程 进行 详细的 介绍 说明。3 1 同步发电 机模型的建立发电机是整个飞 机供

11、电系统中最重要的 部分 , 负责向整 个系统提供电能 , 其所 发出 的电 能质量 的好 坏 , 直接影 响到 后面各部分的设计 , 本文 中利用 Saber 软件 对一 个三相 交流 同步发电机进行建模 , 下面给出发电机模 型的电路 图和电机 方程 , 并详细介绍该同步电机的结构和数学模型。从图 2可以看 出 , 该 同步 发电 机有 6个绕 组 , 其中 三个 定子绕组 :x -a, y -b , z -c , 一 个励磁绕 组 f -f , 两个 阻尼绕 组 D -D , Q -Q (以下简称 F 、 D 、 Q 绕组 。 在图 2中还标明 了本模型中规定的各 绕组的电流、 电压和磁链

12、的正方向。忽略磁 滞、 饱 和 等 因 素 , 该 同 步 发 电 机 的 派克 方 程 如 下式 :电压方程 :图 2 电励磁式同步发电机电路图u d u q u f u D u =r a 0000r a 00000r f00000r D 00r +i d i q i f i D i+p d p q p f p D p+-q d 000(1磁链方程 :d q f D =L d0M af M aD 00L q 00M aQ 32fa 0L f M fD 032Da 0M DfL D32Qa 00L Q +i d i q i f i Di (2其中 , r a , r f , r D, r Q

13、分别为 电枢绕 组、 励 磁绕组、 直 轴阻尼 绕组、 交轴阻尼绕组的电阻值 , 为电机 的电角度 , L d 为电枢 绕组直轴等效电感 , L q 为 电枢绕 组交轴 等效电 感 , L f 为 励磁 绕组电感 , L D 、 L Q 分别 为直 轴、 交轴阻 尼绕 组自 感 , M af =M fa 为等效直轴电枢绕组和 励磁绕组之间的互感 , M aD =M Da 为等 效交轴电枢绕组和直轴 阻尼绕组之间的互感 , M aQ =M Qa 为等 效交轴电枢绕组和交轴 阻尼绕组之间 的互感 , M Df =M fD 为励 磁绕组和直轴阻尼绕组 之间的互感。根据上面 的公式推导 , 选用型号为

14、 dq3w rsynd 的发电机 作为发电机 模型 , 该 发 电机 是一 个 绕线 型 的交 流同 步 发电 机 , 有两个控制输入端 :励 磁电 流输入 端和 发电 机转子 转速 输入端 . 励磁电流的大小可以通过一个理 想的直流电 流源来 提供 , 用来控制发电机 所发 出的三 相交 流电 压的大 小 ; 而电 压的频率则需要 通过 改变转 子转 速的大 小来 进行控 制。由 于在 Sabe r 中能够提供 转子转 速的量 只有转 矩源 , 所以 要对 相应的转矩源 进行设置 , 使之为一个 P W L (P i ecew ise L i near 值 , 其初始值能够保证 发电 机正常

15、 启动 , 在 启动 后转子 转矩 提供的功率与发电机消耗的功率 相等 , 这 样就能保证 电机正常启动后 , 发出的电压大小和频率 恒定 . 同步发电 机的 Sabe r 模型如图 3所示。 图 3 同步发电机的 Saber 模型3 2 变压整流 单元模型的建立 变压整流单元 用来将 交流 发电机 发出 的交 流电变 换为 直流电 , 以便向机上直流负载提供电 能。变压整流 器在飞机 电源系统中应用非常广泛。为了降 低波形畸 变 , 使 输出直流 电压平稳 , 飞机供电 系统变压整流器采 用 12脉波整流 电路。 在建立变压整流 模型的 过程 中 , 会遇到 下面 这样一 个问 题 :由于

16、Sabe r 中所有电压值的测 量以及绘制波形时都是基于默 认的参考地来 给出的 , 所 以整流 电路 的输 出电压 u d 不 能直 接测出 , 要得到输出电阻两端的电压 , 需要使用 Saber 中的一 个将电压量转化 为控 制量 的模块 v2var , 该模 块有 两个 输入 端和一个输出端 , 输出 端的 值等 于输入 端两 端的电 压差 , 再 利用将控制量转化为 电压量的模块 var2v 便可以 得到输出整 流电压相对于参考地 的电压。变压整流单元的 Saber 模型如 图 4所 示。 对 该 电 路 进 行 仿 真 可 以 看 出 :在 一 个 周 期 (2 5m s 内 , 输

17、 出 电 压 脉 动 12次 , 直 流 输 出 电 压 值 u d =32co s ! (U 2 为输入电压的平均 值 , ! 为控 制角 图 4 并联联结的 12脉波整流电路仿真框图3 3 BPCU 模型的建立BPCU 是飞机供电系统 的一 个非常 重要 的部分 , 除 发电 机的故障由 GC U 控 制外 , 其他 所有 的故 障状 态的 判断 和相 应的保护措施都是由 BPCU 来进 行的。 BPC U 对交 流汇流条 上的电压和频率以及直流汇流 条上的电压进 行检测 , 如果两 路中的其中一路出现故障的话 , 就断开该 路与发电 机相连的 接触器 , 并闭合与另 一路正 常工 作的汇

18、 流条 之间的 接触 器 , 当两路同时出现故障 时 , 则选择由应 急电源进行 供电。由于 在 Sabe r 仿真过程中 , 与线 路中各个 点相对 应的 电量的 值都 默认为电压的值 , 因此在进行检测比较以 判断电路 的工作状态时 , 使用的比较器 comp 14也是一 个电压 型的比 较器 , 这 就使得在进行 BPCU 的建模过 程中 , 主 要分为 两个部 分来进 行 :! 电压和电流的测量 ; 频率 的测量。3. 3 1 电压和电流的测量与保护在正常状态下 , 发电 机所 发出的 电压 为 115V 、 400H z 的 三相交流电压 , 如果电压 超出该 范围的 话 , GCU

19、 应该检 测到 电压的异常状况并断开 GCB 以进行 保护 , 进行电 压检测 时 , 首先将发电机发出 的电压 经变压整 流器整 流后 输出 28V 的 直流电压 , 该直流电压再经分压电阻分压 后与正常状 态下的额定电压进行比较 , 我们选用型 号为 comp 14的比较 器作为 比较装置 , 。比较器的输出或输出的逻辑 组合接到相 应的开 关上 , 就可以实现相应的电路切换。本文中 , BPCU 可 以对两 个独立的交流汇流 条和直 流汇 流条上 的电 压电 流状态 进行 检测。3. 3 2 频率的测量与保护与电压电流相比 , 频率部分要相 对复杂 一些 , 由于 Sabe r 中没有现

20、成可用的频率的检测器 件 , 所以 必须自行设 计出频 率部分的检测电路 , 以便将频率转化为可 以进行控制 的电压 量 , 再送到比较器的输入端进行比较 , 从而满足频率的要 求 , 设计的频率检测电路如 图 5所示。图 5 飞机供电系统频率检测电路图在图 5中 , 利用 Saber 中自 带的八 位同 步计 数器来 进行 频率测量 , 频率测量的 过程 如下 :首先 将正 弦交 流信号 转化 为方波信号 , 再将转化后的方波信号送入 上面所说的 计数器 中 , 该计数器能够对输入信号的上升沿或 下降沿进行 计数并输出八位的逻辑信号 , 代表输入脉冲在一 定时间内的 上升沿 (或下降沿 数目

21、 , 文中采 用上升沿计数的方式。由于输出的 是逻辑电平 , 所以还要设计相应的将逻辑 电平转换为 电压量 的转换电路 , 在图 5中 , 计 数器 的输出 信号 控制 着各自 的开 关 , 这些开关与具有不 同权 值的电 压源 相连 , 最 后利用 加法 器对这些电压信号进行加法运算 , 就可以 将输入脉冲 的上升 沿数目以电压的 形式 表现出 来。该计 数器 同时 还具有 清零 端 , 因此对频率的测量 可以 每隔一 段时 间进 行一次 , 在 测量 完毕将测量值输出后 , 给清零端施加一个 短时的触发 脉冲进 行清零 , 然后在新的时 间间 隔内重 新计 数 , 这样 就可以 实现 频率

22、的测量 , 根据测量出的电压值与额定 的频率范围 进行比 较 , 其过程与电压电流 的比 较保护 过程 相类 似 , 文中便 不再 赘述。4 仿真试验及结果分析在建立起了系统 的各个主要部分的仿真 模型后 , 搭建起 系统的整体模型 , 对整个系统在各个故障 状态下的 运行情况 进行仿真并给出 汇流 条在出 现故 障时的 状态。 试验过 程如 下 :先给两台发电机的 励磁 电流 和输入 转矩 分别赋 值 , 使其 发出的电压 和频 率 都处 于正 常 的范 围内 , 然后 在某 个 时刻 (如 t=5s 时 改变其中一台励磁电流 (或输入转 矩 的 值 , 使 电压或频率进入故障状态 , 对汇

23、流条上的 电压波形 进行观察 就可以得知在各种故 障下 , 系统的运 行是否正常。 通过仿真 可以看出 , 无论是过压、 欠压、 过频还是欠频 , BPCU 都能迅速 检测到故障并做出相应的切换 , 并保证并 联汇流条 上的电压 始终处于正常状态 , 在 上述 几种 故障下 , 并 联汇 流条上 的电 压波形如图 6所示。图 中由上 向下 依次代 表欠 频、 过频、 欠 压和过压的故障状态 。从图 6中 可以看出 , 在 1#发电机 出现故障时 , 并 联汇流 条上的电压在经历了一个短时 的故障状态时 , 迅速 恢复到正 常状态 , 从而保证整个 飞机 供电 系统的 正常 运行 , 从故 障到

24、 正常的间隔时间可 以通过 改变 相应的 接触 器的 开通或 关断 时间来设定 ,以满足飞机供电特性的标准。 图 6 各种故障状态下的并联汇流条电压波形5 结束语本文建立起了一个 简单的飞机供电系统 的仿真模型 , 在 分析供电系统各个组成部分的基 础上 , 利 用功能强大 的电力 电子仿真软件 Sabe r 搭建起了系统 各部分的仿真模型并对整 个系统进行了仿真 , 仿 真结 果表明 , 该 系统 能够 实现飞 机供 电系统的基本功能 , 并保证飞机的正常 供电 , 此外 , 该 模型还 有很好的扩展性 , 在汇 流条 单元后 添加 上输 出接口 , 可 以与 后面的负载管理单元一起 , 形

25、成一个更完 整的飞机电 气综合 系统 , 此外在加入适当 的模 块后 , 该模 型还 能够 适应于 其他 的飞机供电系统 , 对于 别的 飞机供 电系 统的 工程设 计 , 也具 有一定的参考价值。 参考文献 :1 王兆安 , 黄俊 . 电力电子 技术 M.西安 :西 安交通大 学出版社 , 2001.2 岳怡 . 数字电路与数字电子技术 M.西安 :西北 工业大学出版社 , 2001.3 刘迪吉 . 航空电机学 M.北京 :航空工业出版社 , 1992. 4 高朝晖 , 张晓斌 . 带均衡电抗器 12脉波变压整流器仿真模型的研究 J.系统仿真学报 , 2006-7.5 蔡鸿武 , 刘晓林 .

26、 三相永磁电机的 Sab er 仿真研究 J.船电技术 , 2004, (2.6 严 仰光 . 航 空航 天 器 供电 系 统 M.北 京 :航 空 工 业出 版社 , 1995.作者简介 吴小华 (1969-, 女 (汉族 , 江西九江人 , 博士 , 副教授 , 主要研究方向 为电力 电子技 术 , 计 算机 测控 技术。徐 刚 (1983-, 男 (汉 族 , 陕西 蓝田人 , 在读硕士研究生 , 主要研究方向为计算机测控技术。(上接第 60页 参考文献 :1 John D . H un t . S truct u ralAnal ysis of the L i gh tW ei gh

27、tH ard N ose onthe 71M A erostat R .A I AA-93-4037-CP , 1993. 2S i m on Ch ri stoforato , Robert L Ashford . A N e w A i rs h i p G round H and li ng S yste m ThatW orks R.A I AA -97-1435, 1997. 3 G A Khoury , J D G illett . A i rs h i p Technol ogy M.C a mb ri dge :Ga m bri dge Un i versit y Press

28、, 1999. 11-16.4 张永昌 . M SC. Nastran 有限元分析理论基础与应用 M.北京 :科学出版社 , 2004 247-256.5 S P John . Aerodyna m ics of a n e w aerostat desi gn w it h i nvert ed-Yfi ns R.A I AA -85-0867-CP , 1985.6 S P J ohn , S L D chroeder . N on li near dyna m i c s i m u l ati on of a tethered aerost at :A fi delit y study

29、 J.Journal of A ircraft , 2001, 38, (1.7 J R A zi nheira . In fl u ence of w i nd speed on airsh i p dyna m icJ.Journal ofGu i dan ce . C ontrol and Dyna m ics , 2002, 25(6.作者简介 杨燕初 (1982 5-, 男 (汉 族 , 河 南郑 州人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为飞艇、 系留气球外形与结构 的设计与分析。王 生 (1963-, 男 (汉族 , 河北人 , 博士 , 中科院光电研究院气球中心副主任 , 研究员 , 主要研究方向 为飞行器总 体 设计、 结 构 与机 构 分 析设 计 和试 验研究。马 毅 (1980-, 男 (汉族 , 江苏南 京人 , 硕 士 , 工程 师 , 主 要研究方向为结构与机构分析设计和试验研究。