Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Martin Švéda, Vladimír Hubík
Vývoj v letectví směřuje k nahrazení centralizovaných hydraulických systémů s konstantním tlakem v celém hydraulickém okruhu elektrohydraulickými (EHA) a elektromechanickými (EMA) akčními členy, které jsou schopny dodat požadovaný výkon podle aktuálních požadavků, a tím významně přispět ke snížení celkové výkonové spotřeby letadla. Důležitou částí každého akčního členu EHA/EMA je elektrický bezkartáčový motor (Brushless DC, BLDC), jehož vlastnosti významnou měrou ovlivňují výkon a spolehlivost celého akčního členu. Proto musí být výběru motoru, návrhu řídicí elektroniky, ovládacích algoritmů a testovacích procedur věnována patřičná pozornost.
1. Motivace
Letecká technika v posledních letech směřuje k implementaci výkonově optimalizovaných letounů (Power Optimized Aircraft) za využití metod Fly-By-Wire a Powered-By-Wire, přičemž akční členy EHA a EMA jsou typickými reprezentanty této moderní techniky.
V současné době je výkon pro akční členy dodáván pomocí centrální hydraulické jednotky, jež trvale poskytuje potřebný tlak pro všechny hydraulické okruhy v letadle, a pohyb akčních členů je potom ovládán prostřednictvím ventilů. Toto tradiční řešení má značné množství nevýhod, především velkou hmotnost hydraulických okruhů, složitou instalaci a náročnou údržbu. Jeho výhodou je spolehlivost a technická nenáročnost.
V případě použití EHA/EMA je do lokálních hydraulických okruhů dodáván tlak pouze podle potřeby a jeho velikost závisí na aktuální velikosti a typu zátěže. Nahrazení centrálního hydraulického okruhu akčními členy EHA a EMA má za následek nejenom výrazné zmenšení celkové hmotnosti systému, ale i jednodušší zástavbu a údržbu během provozu letadla s možností jednoduše zaměnit jednotlivé prvky. Moderní číslicové řídicí systémy umožňují kromě implementace pokročilých metod řízení také sledovat a diagnostikovat celý systém.
Výzkum nových technologií je podporován evropskými výzkumnými projekty 6. a 7. rámcového programu. Jedním z těchto projektů je projekt CESAR (Cost Effective Small Aircraft), jehož se účastní i společnost UNIS, a. s.
2. Akční členy EHA/EMA
Členy EHA/EMA jsou zařízení, jejichž úkolem je převést mechanický rotační pohyb motoru BLDC na posuvný. Výhodou motoru BLDC oproti klasickým kartáčovým DC motorům je absence mechanického komutátoru, což zvyšuje jeho spolehlivost, účinnost, prodlužuje životnost a snižuje hluk. Při provozu nevzniká jiskření, čímž se jednak výrazně redukuje elektromagnetická interference a jednak je možné motor chladit přímo kapalinou z napájeného okruhu.
V případě EMA se k přeměně rotačního pohybu na posuvný využívá převodovka a kuličkový šroub. V případě EHA pohání rotační pohyb motoru hydraulické čerpadlo, které dodává potřebný tlak do hydraulického okruhu a ovládá pohyb hydraulického válce, jenž je spojen se zátěží.
3. Řízení motorů BLDC v kritických úlohách
Použití EHA/EMA v kritických úlohách s sebou nese značné požadavky jak na samotné motory BLDC, tak na řídicí elektroniku i řídicí algoritmy. Akční členy jsou většinou používány ve velmi nehostinných podmínkách, při teplotách od –40 do +80 °C, a s vysokými požadavky na rychlý a spolehlivý rozběh motoru, jeho plynulé řízení i kontrolované zastavení, popř. rychlou reverzaci otáček. Dalším požadavkem je co nejmenší velikost a nízká cena celého zařízení.
Koncová cena systému je výrazně snížena zlepšující se dostupností komerčně vyráběných součástek, tzv. Commercial-Off-The-Shelf (COTS), které začínají běžně splňovat požadavky na teplotu i spolehlivost kritických úloh v letectví. Díky velkému výběru potřebných komponent systému je možné sestavit řídicí systém EHA/EMA přesně podle požadavků příslušné úlohy.
Společnost UNIS již několik let vyvíjí a implementuje kritické řídicí systémy, jejichž jádrem jsou právě motory BLDC.
4. Struktura řídicího systému
Požadavky na modularitu a snadnou rekonfigurovatelnost řídicích systémů vedly k návrhu tříúrovňové struktury, kterou tvoří blok řídicí elektroniky, senzorická část a výkonová část. Toto rozdělení do tří logických celků usnadňuje přestavitelnost podle aktuálních požadavků úlohy a také poskytuje možnost rychle vykonat servisní zásah prostou výměnou některé z částí.
Úkolem bloku řídicí elektroniky je analyzovat signály ze senzorického bloku a na základě výsledků řídit motor BLDC podle požadovaného algoritmu. Algoritmus řízení se může lišit podle specifikací řízení (druhy rozběhu, velikost překmitů, rychlost akčních zásahů, PID regulace, fuzzy regulace atd.) nebo druhu snímání zpětnovazebních signálů (senzorové či bezsenzorové řízení).
Senzorická část řídicího systému má za úkol snímat signály, filtrovat je, zesilovat a upravovat tak, aby mohly být použity jako zpětnovazební signály pro řízení motoru BLDC. Jsou-li jako zpětnovazební signály použity výstupy Hallových sond motoru, je úkolem senzorické části jejich filtrace a tvarování. Při bezsenzorovém řízení motoru je jako zpětnovazební signál použito napětí generované otáčkami rotoru na volné cívce neboli napětí BEMF (Back Electro-Motive Force).
Rozběh motoru BLDC patří při provozu EHA/EMA k nejkritičtějším úlohám. Z principu fungování motoru vyplývá, že motor je nutné roztáčet ve dvou fázích. Protože velikost napětí BEMF je při malých otáčkách velmi malá a signál je navíc značně zašuměn, je v první fázi motor roztáčen v tzv. frekvenčním režimu, kdy je rychlost otáček rotoru postupně zvyšována v otevřené řídicí smyčce. Jakmile otáčky rotoru dosáhnou určité úrovně, od které je možné napětí BEMF věrohodně měřit, přejde algoritmus k řízení motoru v uzavřené smyčce.
Blok výkonové elektroniky se používá k řízené dodávce elektrického výkonu pro motor BLDC. Podle druhu a výkonu motoru může být výkonová elektronika přizpůsobena požadavkům úlohy, ať už jde o druh použitých výkonových prvků (výkonové tranzistory, integrované moduly), ochrany, chlazení nebo rozměry a tvar samotného modulu.
5. Kritické řídicí systémy od společnosti UNIS
Řídicí systém palivového čerpadla FPC (obr. 1) je určen pro řízení motoru BLDC, který pohání palivovou pumpu a ovládá velikost toku paliva. Motor, včetně řídicí elektroniky, je vyroben v nevýbušném provedení, což vedlo ke značnému zmenšení rozměrů celého systému. Motor je chlazen poháněnou kapalinou.
Jednotka FPC umožňuje, kromě řízení motoru BLDC, i sledovat a nastavovat parametry celého systému. Řídicí jednotka komunikuje s okolím prostřednictvím průmyslové sběrnice CAN s protokolem CANaerospace. Veškerý vývoj probíhal ve shodě s leteckými normami RTCA/DO-178B, RTCA/DO-254 a RTCA/DO-160E.
Napájecí napětí řídicího systému je 28 V DC, nominální otáčky 9 500 min−1 a příkon max. 200 W.
Řídicí systém TJET (obr. 2) je určen k rozběhu a řízení otáček mikroturbíny TJ100 (obr. 3), vyvinuté společností PBS Velká Bíteš, a. s. Kromě řízení otáček umožňuje jednotka sledovat a nastavovat parametry prostřednictvím sběrnice CAN s protokolem CANaerospace a řídit dodávku elektrické energie z generátoru do palubní sítě. Řídicí jednotka je kompaktního provedení a je součástí mikroturbíny. Veškerý vývoj opět probíhal ve shodě s leteckými normami RTCA/DO-178B, RTCA/DO-254 a RTCA/DO-160E.
Maximální otáčky turbíny jsou 60 000 min−1 a maximální dodávaný elektrický výkon 1 000 W.
6. Závěr
Akční členy EHA/EMA dnes patří k jedné z nejprogresivnějších oblastí techniky v letectví. Ačkoliv jsou jejich výhody, jako malá energetická náročnost, malá hmotnost, jednoduchost instalace i údržby, zřejmé, je třeba podotknout, že kritickou součástí těchto systémů zůstává bezpečný a spolehlivý řídicí systém za všech okolností.
Vývoj těchto kritických systémů je časově velmi zdlouhavá a náročná práce, která vyžaduje dobrý návrh struktury, volbu robustních řídicích algoritmů a důkladné testování. Teprve po prokázání přítomnosti všech požadovaných vlastností a jejich ověření leteckými agenturami EASA nebo FAA je možné tyto systémy použít v letadlech.
Obr. 1. Řídicí jednotka FPC (UNIS, a. s.) a čerpadlo paliva LUN 6288.XX (Jihostroj Velešín, a. s.)
Obr. 2. Řídicí jednotka turbíny TJ100
Obr. 3. Mikroturbína TJ100 (PBS Velká Bíteš, a. s.)