基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究（精选6篇）

篇1：基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

本文针对直升机飞行测试的`特点,详细介绍了以IMC数据采集系统为核心的直升机飞行测试系统,以及该系统在直升机飞行测试中的实际应用.

作 者：万宇 邵义龙 WAN Yu SHAO Yi-long  作者单位：中国直升机设计研究所,景德镇,333001 刊 名：直升机技术 英文刊名：HELICPTER TECHNIQUE 年，卷(期)： “”(2) 分类号：V217.2 关键词：IMC   数据采集系统   直升机飞行测试  

篇2：基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

某型直升机飞行控制系统仿真研究

介绍了基于MATLAB开发的某型直升机飞行控制系统仿真软件包及快速原型的开发,说明了系统各单元的模型及系统仿真的实现.并对飞控系统的所有功能进行了仿真验证,仿真结果表明,控制系统的`设计合理可行.在某型直升机飞行控制系统的设计过程中,本软件取得了较好的效果,对控制律的设计及验证发挥了较好的作用.

作 者：戴宁 司云玲 雷亚平DAI Ning SI Yun-ling LEI Ya-ping 作者单位：西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710072刊 名：飞行力学 ISTIC PKU英文刊名：FLIGHT DYNAMICS年，卷(期)：200624(1)分类号：V249关键词：直升机 飞行控制 快速原型

篇3：基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

由于直升机构造复杂、飞行环境多变、操作难度大、事故突发性强等特点, 因此事故率较固定翼飞机高, 水上事故尤为突出。据加拿大军方统计, 在37起水上事故中, 直升机飞行员预警时间不足1 min, 而其中的29起事故预警时间还不足15 s[1]。根据理论计算, 50%的坠水直升机在1~2 min之内完成坠水、下沉、翻转、沉没等全过程, 飞行员离机逃生过程极其复杂。直升机水上飞行事故发生后, 由于机身质心的转移极易发生翻转, 发生翻转后, 一般在15~20 s之内完全沉没。据报道, 美海军1977—1995年间共有300架直升机坠入大海, 因无法迅速离机死亡380人。据统计, 2003—2004年, 国外共发生14起直升机水上事故, 机上人员幸存16人, 5人失踪, 75人遇难。随着我军直升机部队规模和质量的快速发展, 水上飞行训练执勤任务日益繁重, 当直升机水上事故发生后, 飞行员将会面临各类难以预料甚至不可抗拒的险情, 直升机飞行员水下逃生问题已经受到越来越广泛的关注。直升机飞行员水下逃生模拟训练系统通过模拟直升机坠水姿态和加速度、直升机下沉翻转、水上复杂气候等场景, 训练遇险飞行员的情绪控制、救生装备使用以及逃生方法、步骤、技巧等, 是提高直升机飞行员水下逃生能力的重要手段。本文旨在结合水下逃生特点和国内外相关训练装备发展趋势, 提出直升机水下逃生模拟训练系统的设计要求和初步设计方案。

1 国内外现状

1.1 国内现状

我国直升机水下逃生模拟训练的研究始于20世纪90年代, 起步较晚, 受国内直升机航空救生技术的总体水平限制, 尚未开展系统完整的直升机飞行员水下逃生模拟训练。目前, 我军及地方正在逐步开展直升机水下逃生模拟训练的相关研究, 海军在水下逃生模拟训练方法、步骤、技术、防护装备、模拟训练器、训练场地等方面都取得了一定成果, 海军水下逃生训练基地也正在积极筹备建设中, 并制定了《直升机乘员水下逃生规范》[2]。中海油、上海警航大队等单位也建立了具备一定训练水平的水下逃生训练基地, 中海油还将“直升机遇险水下逃生训练”纳入了《海洋石油安全管理细则》。这些研究和实践成果都为直升机飞行员水下逃生模拟训练系统的研制奠定了较好的基础。

1.2 国外现状

外军历来十分重视直升机飞行员水下逃生能力训练, 早在20世纪60年代就开展了水下逃生训练的相关研究工作, 而且发展相当迅速, 目前, 美国、俄罗斯、日本、瑞典等均已具备了较完善的直升机水下逃生训练基地, 模拟训练设备先进, 配套设施完善, 水下逃生技术、方法和手段有效, 大大提高了直升机飞行员水面事故中的生存率。美军在华盛顿费尔柴尔德空军基地、佛罗里达州彭萨科拉海军航空站、阿拉斯加艾尔森空军基地等多个地方都建有完善的直升机水下逃生模拟训练场所, 并将这一训练列为美军直升机飞行员培养的重要训练科目, 整个训练课程分为理论学习和水下训练2个阶段, 在掌握基本理论知识后, 开始进行水下训练。训练过程要求学员掌握穿着飞行装备条件下的浮水和踩水, 并能够在8 min内完成1 600 m的游泳训练, 最后, 通过水下逃生模拟训练系统, 模拟各种水面条件下直升机坠水前、坠水后、舱体沉没、舱体翻转等场景, 使飞行员真实体验直升机迫降 (坠水) 加速度、坠水冲击感、空间定向障碍等, 从而掌握水下逃生知识、逃生步骤与技巧, 熟悉使用个体防护装备。

2 需求分析

我国海域约300万km2, 海岸线长达1 800 n mile, 陆上河流、湖泊众多, 水域面积广阔。随着陆航部队的快速发展, 特别是新型武装直升机陆续装配部队, 直升机水上飞行作业和训练任务也逐年递增, 难度强度加大。同时, 水上飞行环境复杂, 直升机水上飞行事故率较高, 坠水飞行员如何迅速脱离危险环境直接关系到飞行员战斗力的维护和保持, 因此, 对直升机飞行员水下逃生模拟训练系统的研究十分必要, 对提高飞行员水下逃生能力, 促进战斗力生成具有重要意义。影响直升机飞行员水下逃生质量的关键因素有:

(1) 在直升机迫降 (坠水) 过程中, 其迫降 (坠水) 姿态和加速度不同, 其冲击着水、下沉、翻转、沉没的状态也不相同, 不确定因素较多, 容易对飞行员的身体造成意外伤害;

(2) 直升机飞行员驾驶舱空间狭小, 飞行员在直升机迫降 (坠水) 过程中, 易产生巨大的恐惧心理[3], 对水下方向感判断、动作敏锐度、克服困难的信心等造成不良影响;

(3) 坠水飞行员水下离机程序、通道选择、救生装备使用、机组相互协作、等待救援等步骤是否规范, 直接影响飞行员水下逃生的成功与否;

(4) 直升机以不同姿态和加速度在水下翻转过程中, 容易造成飞行员水下空间定向障碍[4], 难以建立正确的逃生路径。

3 训练内容

3.1 迫降前准备

当决定水上迫降时, 首先应及时发出失事求救信号, 报告请示迫降;尽快抛放舱门, 预留逃生通道;将救生信号装置抛出机舱, 推倒座椅, 去后舱抱救生船, 完成离机准备;临近水面时, 切断电源, 做好个人防护, 伺机准备离机。这一阶段主要训练飞行人员离机前准备动作的熟练程度, 克服迫降过程中的恐惧心理。

3.2 着水阶段

通过控制直升机迫降的水平速度和垂直速度, 模拟直升机着水过程, 当直升机距离水面一定距离时, 可在直升机飞行姿态和速度条件允许的情况下, 训练飞行员迅速跳离直升机, 并向着直升机飞行的反方向, 游离事故区域;在条件不允许或错失最佳脱险时机时, 机上人员应进行抗冲击防护训练, 使飞行员体验直升机迫降冲击力环境, 在冲击过程中熟练采取个体防护措施。

3.3 入水阶段

直升机入水后, 约在1 min内发生翻转, 2 min后即可完全沉没。飞行员应争取在机身翻转之前的黄金逃生时间内迅速逃离机舱, 游离事故地点。这一阶段, 主要训练飞行员规范、迅速离机, 飞行员需要快速脱掉身上重物上游;作为机长应最后弃机, 在此之前应刹住旋翼。

3.4 沉没阶段

若飞行员在直升机入水之前未能及时逃离, 则应在机身停止翻转后, 利用机身沉没时间迅速离机, 飞行员憋气至少20 s[5]。通过模拟直升机沉入水中并发生翻转的状态和过程, 训练飞行员水下方向感重建能力, 正确掌握有利逃生时机, 在沉入水中后尽快逃出。

训练分2步, 第1步为浅水逃生训练[6] (机身不翻转) , 训练器械可做成一种长形的半潜式金属笼, 在水面之上的顶部装有座椅, 可以通过一个转轴翻入水下的笼中。要求学员在屏住呼吸的同时寻找一个参考点以确定自己的方位, 然后游过狭长的笼子, 直到从笼子一端游出, 经过几次练习后, 还要戴上眼罩, 仅凭触觉继续进行训练。该训练主要是为下一步的深水沉箱训练做好准备, 目的在于训练学员水下的方向感、平衡性、逃生步骤和技能等。

第2步为深水直升机沉箱训练 (机身翻转) [7], 直升机沉箱用来模拟直升机机身, 其中有多个座位, 而且可以被放入水池中并翻转成机腹向上的姿态。其基本目的是训练学员从被水淹没的直升机座舱中逃生的能力, 提高学员的自信和保持冷静的头脑。当直升机沉入水中时, 学员应尽可能多地吸入空气, 并找到一个位置参考点, 以适应一旦整个器械完全沉入水中并翻滚为机腹向上时失去方位感的情况。在器械运动停止、状态稳定后, 学员们需要从座位上解脱自己, 然后找到指定的出口逃生, 并游出水面。这种训练是在严密受控的情况下进行的, 受训人员的安全性在整个水下训练过程中是第一位的。

3.5 离机阶段

机上人员成功离机后, 应游出一定距离, 并集合在多人船周围;打开救生包, 取出无线电台寻求救援;如果多人船未打开或未取出来, 应尽量利用漂浮器材, 做好水上漂浮的生存准备。这一阶段主要训练飞行员水上正确熟练地使用救生装备, 机组人员相互协作, 等待救援的能力。

4 初步方案设想

4.1 训练系统应满足水下逃生需求

直升机飞行员水下逃生模拟训练系统旨在解决直升机水上飞行事故中飞行员水下逃生困难、生存率不高、训练手段缺乏等问题。因此, 研制和配备的水下逃生模拟训练器、训练水池、个体防护装备等必须能够满足直升机飞行员水下逃生训练的特点;通过水下逃生模拟训练系统模拟雾天、雨天、海浪等复杂水面条件下的直升机坠水、沉没、翻转等情景, 使坠水飞行员真实体验直升机坠水的冲击感、水下方向感和平衡感缺失、缺氧等困难, 促使飞行员掌握水下逃生的方法、步骤、技巧, 增强其脱险自救的信心[7]和能力, 提高水下逃生的成功率。

4.2 训练系统组成部分

(1) 逃生训练模拟器。逃生训练模拟器是直升机飞行员水下逃生模拟训练系统的主体部分。目前, 广泛使用的模拟器为长条形沉箱, 如图1所示, 可沿水平轴翻转180°, 但只能以较低的恒定速度模拟简单的二维空间运动, 运动模式单一, 学员经过短时间训练后就能够完全适应, 模拟训练的实际效果十分有限。为了使模拟效果更加逼真并满足强度需求, 可根据现有直升机驾驶舱的结构特点, 模拟驾驶舱舱门、窗口等内部结构, 设计研制玻璃纤维材质的球形训练模拟器, 如图2所示, 可设置4个舱门、4个窗口、6个座位 (1个教员座位和5个学员座位) , 基本参数见表1。每个舱门和窗口对应相应型号直升机的逃生出口, 使模拟器能够基本满足现有各型直升机水下逃生的训练需求。球形训练模拟器可沿垂直轴和水平轴旋转360°, 能够模拟任意方向的运动, 且具有一定范围的加速度, 可真实模拟直升机迫降坠水过程中的任意姿态, 从而使训练效果更加理想, 如图3所示。

(2) 起吊装置。主要用于悬吊训练模拟器, 使训练模拟器沿垂直轴和水平轴运动, 模拟直升机迫降过程。起重装置对安全性要求极高, 需要采用双发动机、双刹车、双升降绳等双保险措施, 并具备可靠的升降和横向移动速度。

(3) 信息采集系统。信息采集系统主要由训练模拟器内部的影像采集器、训练水池中的水下影像采集器、报警装置、通信装置等组成, 主要用于监控和记录参训人员水下逃生训练的全过程, 及时进行沟通, 在遇到难以克服的困难时发出警报。内部影像采集器主要用于评估分析训练效果, 规范参训人员动作, 完善教学手段等。水下影像采集器主要供起吊装置驾驶员使用, 监控训练模拟器的水下状况, 在观察到影响学员逃生的事故征候时及时采取应急措施, 快速起吊训练模拟器, 使学员尽快脱离危险环境。通信装置主要用于学员与教员之间的通话交流, 以便及时规范水下逃生动作等。报警装置主要供学员使用, 在水下训练过程中, 学员在无法完成水下逃生动作或发生其他水下事故时, 可按下报警装置, 保障人员及时采取措施, 帮助学员脱险。

(4) 训练水池。训练水池是直升机飞行员水下逃生训练系统的重要组成部分, 主要用于模拟水下环境, 具备造浪、造风、造雾等功能。目前, 我军用于开展水下逃生训练的模拟器多为长条形, 体积较大, 对训练水池的要求较高。训练水池使用长度约50 m, 宽约25 m, 深约6 m, 占地面积大, 建设成本高。在逃生训练模拟器采用球形设计后, 可大大降低对训练水池的要求, 结合我军现有基础, 同时借鉴国外先进经验, 训练水池可按 (长×宽×深) 6 m×6 m×4 m的标准建设, 从而大大节约土地资源, 降低建设成本。

(5) 水下逃生指示灯。国内外相关研究表明, 水下逃生出口指示灯是直升机飞行员水下逃生成功与否的关键因素[8]。水下逃生指示灯一般由照明灯、指示灯、控制器3个部分组成。照明灯由上下金属壳、弧形反射器、照明灯管灯构成。指示灯主要由LED灯和硅胶管组成, 呈带状, 固定在舱门、窗口位置, 有红、黄2种颜色的指示灯, 可根据使用需求, 在逃生出口处安装黄色指示灯, 逃生操作把手处安装红色指示灯。控制器由传感头、水密插头座、控制电路板、电源灯构成, 采用水控式开关, 触水后即刻亮起水下逃生指示灯, 并达到额定工作状态[9]。

(6) 水下呼吸器。水下呼吸器是直升机飞行员水下逃生训练的重要保障装备之一[10], 主要有固定式和便携式2种。固定式一般安装在训练模拟器的侧壁, 便于学员在紧急情况下取用。便携式由高压氧气瓶和潜水呼吸器组成, 是水下逃生训练中必备的生命保障装备, 用于培养学员水下呼吸能力, 防止溺水窒息。

5 结语

随着水上飞行作战训练任务需求的不断增长, 直升机飞行员水下逃生模拟训练系统的开发研究显得越来越迫切。本文结合直升机水上飞行事故的特点, 通过分析国内外直升机飞行员水下逃生模拟训练的现状, 明确了直升机飞行员水下逃生模拟训练的现实需求, 针对直升机飞行员迫降坠水过程中的不同阶段, 提出了直升机飞行员水下逃生模拟训练系统的初步设计方案。球形水下逃生模拟训练器增强了模拟直升机坠水过程的真实性, 能够保证水下逃生模拟训练的效果, 满足直升机飞行员水下逃生模拟训练、个体防护、教学演示等需求, 对保护直升机飞行员身体, 提高直升机飞行员水下逃生成功率, 促进航卫保障能力生成具有重要意义。

摘要：目的:促进直升机飞行员水下逃生模拟系统的研究发展。方法:通过分析直升机水上事故特点, 结合国内外现有训练装备的研究进展, 梳理国内直升机飞行员水下逃生训练的实际需求。结果:提出了直升机水下逃生模拟训练系统的设计原则、设计要求和初步设计方案。结论:为研制直升机飞行员水下逃生模拟训练系统提供了参考。

关键词：直升机飞行员,水下逃生训练,模拟器

参考文献

[1]孙喜庆, 肖海峰.陆军航空医学[M].西安:第四军医大学出版社, 2012:207-208.

[2]王正华.直升机人员水下救生装备及逃生方案的研究[J].海军医学, 1997, 15 (2) :113-114.

[3]Brooks C J, Gibbs P N.Desensitizing a pilot with a phobic response to required helicopter underwater escape training[J].Aviat Space Environ Med, 2007, 78 (6) :618-623.

[4]Cheung B, Hofer K.Underwater disorientation as induced by two helicopter ditching devices[J].Aviat Space Environ Med, 2000, 71 (9) :879-888.

[5]Brooks C J, Muir H C.The basis for the development of a fuselage evacuation time for a ditched helicopter[J].Aviat Space Environ Med, 2001, 72 (6) :553-561.

[6]Brower R A.Survival system for helicopter aircrews[R].Reno:Proceedings of 34th safe annual symposium, 1996:263.

[7]Tipton M J, Gibbs P.ECG during helicopter underwater escape training[J].Aviat Space Environ Med, 2010, 81 (4) :399-404.

[8]关宏.国海军直升机事故:座舱出口问题[J].航空军医, 1997, 25 (1) :52.

[9]王伟.新型直升机水下逃生照明指示灯的研制[J].海军医学, 2007, 28 (4) :346-347.

篇4：基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

【关键词】矿井提升机；计算机；监控系统

一、矿井提升机工作原理及运行特点

在煤矿生产的过程中，提升机的作用就是肩负井下重物以及工作人员的进出，提升机就是井上和井下的唯一通道。在实际的运行中，保证提升机安全运行以及实现上升和减速下降或者是执行紧急的制动的重要手段是提升机的制动系统。它的重要部分就是盘型阀，它是能够实现正常停车或者紧急制动的系统。当然在发生紧急状态的时候，能及时的控制提升机。当然为了能够确保制动系统的安全运行，我们还是要控制好提升机每次的载重。一旦超过一定的限度，提升机的危险系数就会增加。为了施工的安全，我们操作是一定要完全遵守使用规则的。

矿井提升机工作的最大特点就是它的工作环境比较恶劣。我们知道一般矿井都是在远离市区、远离城市的地方，那里的交通不够方便，并且自然环境也会非常的恶劣。工作环境的恶劣必然造成工作的难度加大，尤其是矿井提升机的工作。矿井提升机工作的另外特点就是噪声大，这样给井上和井下之间的沟通增加了难度。还有就是，提升的工作受到自然环境的影响很大。像下雨、下雪等自然环境都会损害到机器，造成机器的损坏。提升机运行的这些特点也是制约监控系统设计的重要因素，监控系统在设计的时候都要考虑到这样问题的。

二、矿井提升机监控系统的机构

矿井监控系统的设计主要分成两个部分—上位机和下机位，上下机位之间是通过CCM协议实现连接的。计算机和通信接口组成了上机位，它主要负责的是利用专门的软件实现检测和控制功能。通信接口的作用就是完成双向的数据传输，实现通信。上机位主要是负责的是检测和控制功能，那么上机位位置的设置就可以很随意。可以将其放置在调度室或者是办公室，实现的是远程的控制和检测。上机位可以连接不同的接口，将所有的井下检测的情况都显示在显示屏上，也可以达到全面控制的状况。

监控系统真正核心的地方则是下机位，它是实现监控的重要部分，上机位都是通过下机位才完成检测这一职能的。下机位的组成主要是有电源变压器、主板机和显示板，但是对硬件的设施也是有要求的。那就是他们的耗电要小，因为在井下电力的输送并没有那么容易。只有小耗能的设施才能保证工作的时间长，不会在施工的过程中没有能量，从而引起一定的灾难。

三、矿井提升机监控系统的主要功能及特点

矿井提升机的监控系统存在是有它的必要性，我们设计的计算机监控系统就是要满足实际的需要。本系统主要就是要实现监控保护和系统信息监视，具体如何实现这样的功能如下：

（一）监控保护

通过监控系统我们可以实现对提升机的控制，包括对提升机的启动、关闭、上升、反向运作等一些基本的操作，另外还包括提升机的速度和提升机索道的信号锁定。总的来说就是实现对提升机的数字化操作，这提高了提升机的工作效率以及工作的准确度。

监控系统还可以随时随地的检测提升机的位置、电路的电流、提升机的提升速度，上机位和下机位都可以观测到这些数据，并及时的进行调整。

监控系统的保护功能就体现在有电路安全设备的状态信号显示，以及提升机各个部分的安全性显示，一旦有一个部分出现问题，就可以及时的进行维修。

在整个监控系统中，计算机的计算功能也是被发挥的很好。比如一个轨道上有好几个提升机，如何控制他们不让他们相撞，就需要精确计算他们的速度。计算机通过检测到他们之间的距离了以及各自的速度，然后在计算出提升机的速度，保证他们不出现超车的情况。减少危险情况的出现，达到了保护的作用。

（二）系统信息监视功能

真正实现监控功能的时候，当然少不了信息的反馈，该系统就具有信息监视的功能。系统随时的显示提升机的运行信息，系统通过计算机的显示屏，向监控者提供提升机的不同数据。包括提升机的速度、提升机的运行轨道，还可以用电流图的方式显示电流的走向。计算机监控系统的具体优势主要体现在能够以更加直观和形象的方式展示不同的数据，并且计算机的内存足够的大，能够储存更多的信息。计算机计算速度的快速也为矿井的工作提供更多的便捷。再者计算机是以边记录边保存的形式工作，这样提升机在工作运行的过程中一切信息都可以很完整的记录下来。这些信息包括提升机停开车的时间、即时提升速度、位置、电流、各类故障。这些数据在后面的分析过程中都起到很大的作用，比如分析一次事故发生的原因。通过这些详细的信息，我们就可以很清晰比较、对比看在出现故障的时候那个部分出现了异常，在以后的工作中也可以得到提高。

计算机矿井提升机监控系统与以前的监控系统相比较，它有着自己的特点，包括：①双机控制的可靠性。系统主要是采用上机位和下机位两个部分组成，上下机位之间是分开进行操作的。一般情况下，下机位放置在PT柜里，这样就可以避免一些错误的操作。平时监管人员只需要对上机位进行操作，通过上机位检测操作过程。②适应性强，上下机位的硬件设施都是采用最先进的技术，能够适应各种情况的出现。③智能化。将计算机技术中重要的部分运用到监控系统中，这是计算机监控系统的最大特点。计算机有智能化的特点，它有很多自动的开关。这就是需要软件设计工程师在设计软件的时候，根据需要提前设置一个数据。在运行的过程中，某些部分一旦超过了预设的数据，系统就可以自动停止工作。这种智能化的反应比人类的反应更加的及时，控制的也非常的迅速。

结语

煤仍然是我国工业生产以及人民生活的重要能源，保证煤矿工作安全、顺利的运行也是关系到我国国民经济能否平稳运行的关键。计算机的各个方面的运用，也是成为了时代的要求。本系统就是将计算机技术充分的运用到煤矿的生产过程中，从而提高煤矿生产的效率。煤矿发生安全事件的案例也不少，灾难发生原因很多在于开采的技术落后，并不能保证整个工作过程都在监控之中，监控重要部分就是提升机的监控。笔者希望本文能够为一些煤矿企业提供一些帮助，完成生产监控系统的更新。

参考文献

[1]王嫣，董李娜.矿井语音通信网络的集成[J].煤炭技术，2012，（9）.

[2]武凤翔.煤矿企业计算机信息系统研究[J].煤炭技术，2012，（9）

篇5：基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

以旋翼机驾驶品质要求ADS-33为设计目标,采用H∞混合灵敏度方法设计直升机在低速飞行时的鲁棒控制器,设计中利用遗传算法优化加权阵参数,找到同时满足频域和时域性能要求的`控制器.以UH-60A直升机为对象,所设计的直升机飞行控制系统不仅具有鲁棒稳定性,而且满足ADS-33D水平1操纵品质要求.

作 者：代冀阳 毛剑琴 作者单位：代冀阳(北京航空航天大学第七研究室,南昌航空工业学院测控系,)

毛剑琴(北京航空航天大学第七研究室,)

篇6：基于IMC设备的直升机飞行测试系统研究

在很多工业领域的应用中,单台电机已不能满足实际工业的需求,一般需要多台电机的协调控制,例如:造纸、纺织、石油开采,航空航天等[1]。很多学者基于传统的交直交变频器研究多机传动系统,如图1 所示,这种多机传动系统只需要一个整流级电路,就可以连接多个逆变级,从而减小系统的体积和重量,降低系统成本[2]。但是,由于传统交直交变频器直流母线上的电容器组体积庞大,使传统多机传动变频调速系统难以满足一些集成度要求高、重量轻、体积小的应用场合[3]。

间接矩阵变换器(IMC),又叫双级矩阵变换器(TSMC),从拓扑结构上来说具有彼此独立的整流级和逆变级,可以采用不同的调制方法对各部分进行调制,同时能够实现双向开关的零电流换流,故控制策略非常灵活,有利于感应电机的调速[4]。另外,在多驱动系统中,IMC可以和交直交变换器一样,直流侧可连接多个逆变级,即多个逆变级共享一个整流级,从而减少了电力装置设备,大大降低了系统成本。基于间接矩阵变换器的多机传动系统不仅具有传统交直交变频器多机传动系统的优点,而且没有中间储能电感或电容,使得电路结构更加紧凑,集成度更高,这在对变频器体积要求严格的工业应用中具有很大的优势[5]。目前,国内外学者对基于间接矩阵变换器的多机传动系统的研究也取得了一定成果。文献[2]提出了基于IMC的多机传动系统的拓扑结构,文献[4]介绍了一种减少输入电流谐波的控制策略,文献[5]提出根据能量流动方向的不同采用不同的调制策略的方法,目的也是减少输入电流谐波。对多机系统的整流级电路换流复杂和输出电压电流谐波大的问题鲜有文献进行分析。

本文首先给出了基于间接矩阵变换器多机传动系统的拓扑结构,然后讨论了其调制策略,并分析了零矢量交错PWM分布方式的优缺点,为解决整流级电路换流复杂和输出电压电流谐波大的问题提出了采用零矢量重叠PWM分布方式,最后通过Matlab仿真验证了理论的正确性,为多机传动系统的进一步研究和软硬件设计提供了理论基础。

2 控制策略

2.1拓扑结构

间接矩阵变换器在结构上分为整流级电路和逆变级电路。整流级电路由6个双向开关构成三相桥式电路,是一个三相到两相的矩阵变换器。逆变级电路和传统的电压型逆变器相同,由6个IGBT和反向恢复二极管构成,为了简化逆变级电路及其控制策略,整流级电路PWM调制需要保证中间直流电压为正。中间直流环节由一个二极管和小容量电解电容构成钳位电路;电感和电容构成三相LC输入滤波器,吸收输入电流中由开关动作引起的高频谐波。整流级直流母线可以连接多个逆变级,拖动多台异步电机。间接矩阵变换器的一个整流级电路连接2个逆变级的电路结构如图2所示。

2.2调制策略

间接矩阵变换器的调制策略采用双空间矢量调制技术[6]:整流级采用无零矢量的SVM调制,可获得对称正弦的输入电流和可调的功率因数;将SVM应用于逆变级,可获得频率和幅值可调的正弦输出电压。逆变级SVM与常规逆变器不同:在每个PWM周期内整流级输出不等的2级直流电压,逆变级的空间矢量调制需要在2级电压下分别进行。一个PWM周期内每级电压下采用相同的2个有效空间矢量,同一个有效矢量在不同直流电压下的占空比相同。如果将逆变级的零矢量分配在整流级换流的时刻,这时逆变级电路的三相输入连接到直流母线的同一极上,直流环节电流为零,就可以实现整流级开关的零电流换流,其对应的开关矢量顺序如图3所示。

整流级电路各矢量的占空比计算公式如下:

逆变级电路各矢量的占空比计算公式如下:

式中:mv为逆变级的调制系数,mv=m2·k,k为修正系数,k=max(|cos θa|,|cos θb|,|cos θc|)用来抵消中间直流电压的波动,以保证输出电压幅值恒定,0≤m2≤1。

2.3控制策略

间接矩阵变换器在拓扑结构上具有彼此独立的整流级和逆变级,因此可以和传统的交直交变换器一样,一个整流级电路可以连接多个逆变级。在控制策略上,间接矩阵变换器有直流环节,因此在对其进行控制时,先分配整流级电路开关状态矢量的作用时间,然后将2个逆变级的开关状态矢量的作用时间配合整流级的控制。

为了减少输入电流谐波,降低对电网的污染,文献[4]提出把2个逆变级的零矢量相互错开的方法,如图4所示,在这种PWM开关序列分配方式下,无论是在一个PWM周期内,还是在PWM周期的开头和结尾,2个逆变级不都是以零矢量为衔接的,因此整流级电路的双向开关不能实现零电流换流。在一个PWM周期内,每一段直流电压作用下,逆变级电路采用的是最简单的不对称3段式,理论上会使输出电压电流谐波增大。但是在这种PWM开关序列分配方式下,2个逆变级电路的电压零矢量没有重叠,中间直流电流的纹波较小,反映到输入侧使输入电流谐波减小,减少对电网的污染。

电压零矢量交错PWM分布方式虽然减少了输入电流谐波,但是整流级不能实现零电流换流,必须采用传统矩阵变换器的多步换流策略。多步换流存在一些缺点:如换流时间长,影响输出电压谐波;需要电压电流的方向信息,降低了系统的可靠性;逻辑控制复杂等。矩阵变换器没有实现工业应用的原因之一就是因为换流策略复杂。零矢量交错PWM分布方式的输出电压电流谐波大,影响电机的性能。为了实现整流级电路的零电流换流,减少开关损耗,同时较少输出电压电流的谐波含量,本文采用2个逆变级的零电压矢量重叠PWM分布方式。如图5所示。

从图5可以看出,在1个PWM周期中,整流级双向开关在进行换流时,逆变级电路处于零矢量的作用时间,这时逆变级电路输出为短路状态,中间直流环节处于零电流状态,即此时关断和开通双向开关都没有电流流过开关。而且在PWM周期的开头和末尾,双向开关换流时也是处于直流环节电流为零的状态,无论前面1个PWM周期还是接着的PWM周期内开通或关断双向开关,都没有电流流过开关,因此就可以实现整流级电路双向开关的零电流换流。并且在1个PWM周期的开始和末尾是以零矢量为衔接的,在逆变级扇区切换的时刻其上下桥臂不会发生开关换流动作,这样就降低了开关次数,由开关动作引起的损耗就会降低。在1个PWM周期内,逆变级调制被分为8段,相对于零矢量交错调制的6段,其输出电压电流谐波小。

逆变级电路在非零矢量作用时间内,中间直流电流为相应的两个负载电流之和,例如当其中一个逆变级的电压作用矢量为(100),另一个逆变级的电压作用矢量为(110)时,中间直流电流的大小等于负载电流IA1,-IC2之和。因此2个逆变级在零电压矢量重叠PWM分布方式下,当逆变级的电压矢量由零变为有效矢量时,中间直流电流由零突变为2个负载电流的叠加,导致中间直流电流的纹波增大,使输入电流谐波增大。虽然零矢量重叠PWM分布方式不可避免的会增大输入电流谐波,但是它能够实现整流级的零电流换流,减少了逆变级电路的开关次数及开关损耗,并且能够有效减少输出电压电流的谐波。在输入电流谐波满足要求的情况下,本系统采用这种零矢量重叠PWM分布方式。

设整流级工作在第1扇区,两级直流电压分别为uab,uac,逆变级1在第1扇区,2个有效矢量分别为(101),(100),逆变级2在第2扇区,2个有效矢量分别为(110),(100),1个PWM周期的调制过程如表1所示。

参照单机间接矩阵变换器的占空比,可得多机系统各时间段的占空比如下:

式中,i=1,2。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink环境下对间接矩阵变换器的多机传动系统进行了仿真实验,实验参数如下:输入相电压幅值Um=400 V;输入滤波器参数为:L=1 mH,C=20 μF。为简化仿真模型,负载1,2均采用相同的三相异步电机模型,电机参数为:PN=4 kW,UN=400 V,fN=50 Hz;输出额定转速为n=1 430 r/min,2台电机的给定负载转矩TL=25 N·m;系统调制频率为5 kHz,2个逆变级的调制比分别为mv1=0.67,mv2=0.67。

图6为采用零矢量重叠PWM分布方式下其中1台电机的输出线电流、线电压、转速波形。在这种调制策略下,输出电压的总谐波畸变率可达0.64%,输出电流的THD=0.68%,电机转速也能很快达到额定转速。

在同样的仿真条件下,采用零矢量交错PWM分布方式得到的输入电流、输出电压电流的总谐波畸变率和零矢量重叠方式进行对比如表2所示。可得,在零矢量重叠PWM分布方式下,输出电压电流谐波相对于另一种分布方式小,但是输入电流谐波要比零矢量交错的情况下大。

图7是在零矢量重叠PWM分布方式下,中间直流电流波形;图8是在零矢量交错PWM分布方式下,中间直流电流波形。从图7,图8中可以看出:在2台异步电机都工作在电动机状态时,同一时刻,在中间直流电压相同的情况下,零矢量重叠PWM分布方式的中间直流电流idc_ripp纹波比零矢量交错PWM分布方式的大。从而验证了理论的正确性。

4 结论

本文研究了一种新颖的基于IMC的多机传动系统的拓扑结构和控制策略。本系统不仅具有传统交直交变频器多机传动系统的优点,而且没有中间储能电感或电容,使得电路结构更加紧凑,减少了变换器的体积和重量,延长了系统的使用寿命。仿真结果表明,在2台异步电机都工作在电动机状态时,选用零矢量重叠PWM开关分布方式,能够有效地减少输出电压电流的谐波,实现整流侧的零电流换流,减少逆变级的开关次数及开关损耗,提高变换器的效率,并能改善控制系统的动态和稳态性能。

参考文献

[1]Dinesh Kumar,Patricl W Wheeler,Jon C Clare,et al.Weight/Volume Effective Multi-drive System Based on Two-stage Ma-trix Converter[C]∥Industrial Electronics,2008.IEcon2008.

[34]th Annual Conference of IEEE,2008:2782-2787.

[2]Klumpner C,Blaabjerg F.A New Cost-effective Multi-driveSolution Based on a Two-stage Direct Power ElectronicConversion Topology[C]∥In Proc.of IAS,2002,1:444-452.

[3]刘魏宏,朱建林,邓文浪,等.基于交-直-交型矩阵变换器的多驱动系统的控制策略[J].中国电机工程学报,2006,26(3):111-115.

[4]Klumpner C,Blaabjerg F.Modulation Method for a Multi-ple Drive System Based on a Two-stage Direct Power Con-version Topology with Reduced Input Current Ripple[C]∥Proceeding of PESC,2003:1483-1488.

[5]Reyes E,Pena R,Cardenas R,et al.A Control Scheme forTwo Doubly Fed Induction Machines Fed by Indirect Ma-trix Converter[C]∥Industrial Technology(ICIT),2010IEEE International Conference,2010:631-636.