用于发动机半物理仿真的高速直驱传动系统技术领域
本发明涉及半物理仿真和电机控制领域，尤其涉及一种用于发动机半物理
仿真的高速直驱传动系统。
背景技术
对于航空发动机的半物理仿真试验器，除了发动机本体采用数学模型，其
它的部件如传感器、燃油系统、电子控制器、执行机构等，均采用真实的机载
部件。但是对于PMA(永磁交流发电机)电机、N1(低压转子物理转速)转
速音轮、N2(高压转子物理转速)转速音轮、燃油泵的驱动，由于没有真实的
发动机本体，需要设计相应的驱动系统，提供高速的驱动转速和转矩。另外，
由于PMA电机、N2转速音轮、燃油泵，在实际的发动机中由同一根轴拖动，
因此它们是按照一定的转速比同步转动的，所以需要对它们的转速进行同步。
传统上，对于需要高转速驱动的对象，如N2音轮和PMA，一般采用增
速齿轮箱。不同的发动机需要模拟的传动信号在数量、转速和转矩要求上不同，
常用的驱动系统一般采用传动齿轮箱+低速电机的构架，通过改变齿轮箱传动
比后输出给各个负载，这种方法存在诸如缺点，例如传动齿轮箱的设计复杂，
增加了试验器的设计成本。与传动齿轮箱的耦合负载比较多，一旦齿轮箱发生
故障，整个试验器基本无法使用，不利于试验器的维护和使用。对于一个发动
机型号的不同阶段，一旦机械系统传动比发生变化，需要重新设计齿轮箱，通
用性较差。另外，需要大功率电机驱动齿轮箱，噪声较大，对试验室的环境产
生不利影响。
因此，本领域需要一种改进的传动系统。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概
述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性
或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化
形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种用于发动机半物理仿真的高速直驱传动
系统，包括：至少一个高速驱动电机，每个高速驱动电机通过联轴器耦接至相
应的目标负载；以及电机控制器，该电机控制器耦接至该至少一个高速驱动电
机中的每一个，并控制各高速驱动电机以相应目标转速驱动相应的目标负载。
在一实例中，该电机控制器包括与该至少一个高速驱动电机相一一对应的
至少一个电机控制单元，每个电机控制单元控制相应的高速驱动电机以相应转
速转动。
在一实例中，每个电机控制单元通过相关联的变频器耦接至对应的高速驱
动电机，每个电机控制单元向相关联的变频器输出转速控制信息，并由该变频
器向相应高速驱动电机输出实现目标转速所需要的电压和电流。
在一实例中，每个电机控制单元根据接收到的转速指令以及来自该电机控
制单元所控制的高速驱动电机的转速反馈来执行对该高速驱动电机的闭环转
速控制。
在一实例中，该至少一个高速驱动电机包括相互之间同步转动的多个第一
高速驱动电机，该多个第一高速驱动电机对应的多个电机控制单元控制该多个
第一高速驱动电机相互之间按照特定的转速比同步转动。
在一实例中，该多个第一高速驱动电机中的一个作为主高速驱动电机，其
余作为从高速驱动电机，该主高速驱动电机的电机控制单元根据主转速指令控
制该主高速驱动电机，每个从高速驱动电机的电机控制单元根据来自该主高速
驱动电机的转速反馈作为从转速指令并依据转速比来控制该从高速驱动电机。
在一实例中，该主高速驱动电机的电机控制单元还基于来自该主高速驱动
电机的转速反馈执行对该主高速驱动电机的闭环转速控制，以及每个从高速驱
动电机的电机控制单元还基于来自该从高速驱动电机自身的转速反馈执行对
该从高速驱动电机的闭环转速控制。
在一实例中，该多个第一高速驱动电机包括分别以PMA电机、N2音轮
和燃油泵为目标负载的三个第一高速驱动电机。
在一实例中，该至少一个高速驱动电机还包括以N1音轮为目标负载的第
二高速驱动电机。
在一实例中，对应每个高速驱动电机具有用于测量该高速驱动电机的转速
的编码器以提供转速反馈。
在一实例中，每个高速驱动电机是高速小惯量的驱动电机。
在一实例中，该高速小惯量的驱动电机是通过定制的高速异步电机或机床
中的电主轴来实现的。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本
发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类
似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是示出了根据本发明的一方面的高速直驱传动系统；以及
图2是示出了根据本发明的一方面的对高速直驱系统中的驱动电机进行
转速同步闭环控制的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和
具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围
进行任何限制。
图1示出了根据本发明的一方面的高速直驱传动系统100。如图1所示，
该高速直驱传动系统100可包括高速驱动电机111、121、131、141，每个高速
驱动电机通过联轴器耦接至相应的目标负载。例如，高速驱动电机111通过联
轴器113耦接至PMA电机114，高速驱动电机121通过联轴器122耦接至N1
音轮123，高速驱动电机131通过联轴器耦接至N2音轮133，以及高速驱动电
机141通过联轴器143耦接至燃油泵144。对于例如PMA电机114和N2音轮
133等，转速均在20000rpm以上，需要采用高速变频电机，要满足负载所需
的稳态和动态性能。因此，在本发明中，采用了高速小惯量的驱动电机直接驱
动负载，小惯量保证了电机驱动负载时的实时动态响应，高速保证了负载的高
速需求，由此减少了驱动电机与负载之间的传动齿轮箱，让系统的结构设计变
得简单。例如，电机类型选用定制的高速异步电机或机床中常用电主轴。
联轴器113、122、132、143连接负载传动轴和驱动电机输出轴。在设计
需求上，各联轴器既要能够承受足够的扭矩，又要具有非常小的转动惯量和运
行时的稳定性、噪音小等要求。
高速驱动电机111与联轴器113之间可设有扭矩仪112，以及高速驱动电
机141与联轴器143之间可设有扭矩仪142，以实时测量驱动电机的输出扭矩
和转速，这些信号既可以反馈给电机控制器作为闭环控制，也可以作为负载标
定时的校准数据。
PMA电机114主要用于航空发动机控制系统中核心电子控制器的供电。
例如，PMA电机114可向发动机电子控制器供电。N1和N2转速音轮是由磁
体材料制成的齿形圆轮，与后面的转速传感器(例如分别为N1转速传感器、
N2转速传感器)组成带间隙的磁回路，当发动机运转时，音轮被高压/低压转
子传动轴带动旋转，由于间隙的变化使传感器感受的磁通量发生变化，从而产
生对应频率的感应电动势。燃油泵144主要为发动机机械液压单元提供高压燃
油。
图1中示出了四个高速驱动电机111、121、131、141，但是本发明并不
局限于此，根据所需要驱动的负载的不同，可以有更少或者更多的高速驱动电
机。
高速直驱传动系统100还可包括电机控制器160，后者耦接至每个高速驱
动电机，例如通过数据总线接收转速指令信号，根据指令信号的要求，控制各
高速驱动电机以相应的目标转速驱动各自的目标负载。该转速指令信号可以通
过发动机模型来仿真计算得到。高速直驱传动系统100还可包括电源模块150、
数据采集器170和冷却系统180。高速直驱传动系统100通过由电机控制器160
控制高速驱动电机111、121、131、141的转速转矩，驱动航空发动机中的PMA
电机114、N1音轮123、N2音轮133、燃油泵144四个负载，来模拟实际负载
的工作状态。
电源模块150可对系统供电进行二次变换与保护，二次电源变换例如需要
将输入电源转换成电机控制器160和数据采集器170内的板卡所需要5V或
3.3V的直流电源，同时还要具有过流保护、过压保护、欠压保护等功能。电源
模块150内部还可增加熔断器，保证在超过一定时间内的超限电流时，停止内
部供电。电源模块150内的电流电压自检测信号通过硬线或总线信号给数据采
集器170。
数据采集器170可接收来自各高速驱动电机的温度、压力、振动监测信号，
来自冷却系统180中冷却液的温度、压力监测信号，来自扭矩仪112、142的
扭矩监测信号，来自PMA电机114中冷却油的温度、压力监测信号，来自PMA
电机114输出的线电压、线电流等参数，以及来自整个直驱系统的振动监测信
号，监视整个系统的健康状态，通过反射内存网、实时工业以太网等和电机控
制器进行数据交互。冷却系统180可用来对电机进行散热，保证电机在正常工
作温度范围内工作。
电机控制器160可包括与每个高速驱动电机对应的电机控制单元以控制
该高速驱动电机以相应转速转动。例如，每个电机控制单元通过相关联的变频
器耦接至对应的高速驱动电机，每个电机控制单元可根据自己接收到的转速指
令信息向相关联的变频器输出转速控制信息，并由该变频器向相应高速驱动电
机输出实现目标转速所需要的电压和电流。为了提供更精准的转速控制，每个
电机控制单元还可根据接收到的转速指令外加来自该电机控制单元所控制的
高速驱动电机的转速反馈，以向变频器输出转速控制信息，由此来执行对该高
速驱动电机的闭环转速控制。
图2是示出了根据本发明的一方面的对高速直驱系统中的驱动电机进行
转速同步闭环控制的示意图。
如上所述，PMA电机、N2转速音轮、燃油泵，在实际的发动机中由同一
根轴拖动，因此它们是按照一定的转速比同步转动的，所以需要对它们的转速
进行同步。因此，电机控制器260需要对驱动这些负载的高速驱动电机执行同
步控制，以确保这些高速驱动电机在一定的转速比下同步动作。
图2中示出了两个需要同步的高速驱动电机210、220，它们可以对应于
图1中所示的PMA电机、N2转速音轮、燃油泵中的任意两者。为了简明起见，
图2中示出了用于控制高速驱动电机210、220的两个电机控制单元261、263。
但是容易理解，电机控制器260针对每个高速驱动电机有一对应的电机控制单
元。
根据图2的同步闭环控制，由电机控制单元261和电机控制单元263控制
高速驱动电机210与高速驱动电机220之间以特定的转速比同步转动。具体而
言，需要同步的高速驱动电机中的一个作为主高速驱动电机，其余作为从高速
驱动电机，主高速驱动电机的电机控制单元根据主转速指令控制主高速驱动电
机，每个从高速驱动电机的电机控制单元根据来自主高速驱动电机的转速反馈
作为从转速指令并依据转速比来控制该从高速驱动电机。
以图2为例，高速驱动电机210此时作为主高速驱动电机，其电机控制单
元261根据通过数据总线接收到的转速指令作为主转速指令来控制高速驱动电
机210，例如根据主转速指令向变频器262输出转速控制信息，并由变频器262
向高速驱动电机210输出产生电机达到指示转速值所需要的电压和电流。编码
器211可测量高速驱动电机210的实际转速，并根据该编码器211反馈的实际
转速作为从转速指令提供给电机控制单元263，后者根据该转速反馈比依据高
速驱动电机220与高速驱动电机210之间的转速比来控制作为从高速驱动电机
的高速驱动电机220。
一般地，主转速指令向电机控制单元261所指示的目标转速与高速驱动电
机210实际实现的转速存在误差，因此将编码器211测得的高速驱动电机210
的实际转速作为从转速指令指示给电机控制单元263，并由其根据转速比来控
制高速驱动电机220可以实现更精准的控制。
另外，为了进一步提高转速控制精度，无论是需要同步的高速驱动电机，
还是不需要同步的高速驱动电机，电机控制器260中的各电机控制单元都可根
据来自自身所控制的高速驱动电机的转速反馈，来执行对该高速驱动电机的闭
环转速控制。以需要同步的高速驱动电机210、220为例，电机控制单元261
可根据主转速指令并结合来自编码器211的实际的转速反馈执行PID闭环反馈
控制。
另外，图2中示出了用于需要同步的高速驱动电机210、220的电机控制
单元261、263，但是对于不需要同步的高速驱动电机，例如用于驱动音轮N1
的高速驱动电机，仍存在单独的电机控制单元，该电机控制单元可根据通过数
据总线接收到的转速指令独立地对该高速驱动电机执行闭环控制。
在本发明中，对应每个负载使用单独的驱动电机由电机控制单元进行控
制，使得对于有不同转速转矩要求的负载，可以采用不同功率等级的驱动电机，
减少了负载之间的耦合，同时可以对不同的负载进行单独的标定，更利于整个
系统的维护和使用。而且由于每个负载有独立的驱动电机，使每个电机的功率
变小，噪声控制变得更加容易，减少了试验室的噪声污染。通过采用实时工业
以太网/反射内存网等高速总线，并增加同步机制保证不同负载之间转速输出的
实时性。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使
用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且
本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范
围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授
予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。