著商用和國防飛機用戶和集成商尋求降低成本，我們看到“更多電動”飛機（MEA）設計的出現。這些飛機通過更快、更輕松的維護檢查來降低運營和維護成本，通過減少平均故障間隔時間 （MTBF） 來提高飛機可用性，并減少廢氣排放，因為它們更輕、更高效，并且機載笨重的系統更少。MEA概念專門用電氣系統取代了傳統的液壓，氣動和機械系統，這些系統重量更輕，更易于安裝和維護，并改善了燃料消耗。目標是最終擁有一架全電動飛機。

傳統上，所有非推進動力都是從飛機的發動機中提取的。空氣從發動機的高壓壓縮機排出;由此獲得的氣動動力用于為環境控制系統提供動力，并為機翼防冰系統提供熱空氣。機械變速箱將機械動力從發動機傳遞到中央液壓泵 - 使用貫穿整個飛機的管道系統 - 為主要和次要飛行控制，起落架展開，縮回和制動的驅動系統以及許多其他需要執行器的系統提供液壓動力。機械變速箱的一部分還將其機械動力傳遞到發電機，發電機除了為航空電子設備、機艙和飛機照明提供電力外，還提供其他負載（例如娛樂系統）的電力。

電氣系統相對于液壓系統的優勢

液壓系統使用成熟的技術，與使用電氣技術可獲得的改進相比，效率的可能改進可以忽略不計。液壓系統由中央電動泵組成，中央電動泵通過從發動機短艙延伸的管道產生液壓，穿過防火墻，穿過塔架，進入輪艙、機翼和整個機身。每個液壓系統都需要壓力和回油管路以及泵的箱體排水管。這些系統通常是三重冗余的，管道可防止液壓系統中的易燃液體。然而，所有這些保護、冗余和管道都很沉重。相比之下，MEA實現了更簡單的結構解決方案，整個飛機所需的隔熱罩更少，易燃流體保護更少。這種簡化導致飛機更輕，復雜性更低，飛機結構的認證要求更低。

對于液壓系統，所有這些管道都需要維護，以防整個管道路徑泄漏，而發動機驅動的泵和壓力密封件也需要不斷進行維護檢查。這些系統的維護成本很高，而且液壓系統的MTBF很短。另一方面，使用電動液壓或全電動執行器的電動系統，整個飛機不再需要液壓管，從而大大減少了總重量。空中客車公司估計，當液壓副翼執行器被電液或機電執行器取代時，A380飛機的重量減輕了約1，000磅。消除大部分液壓系統還可以提高系統的MTBF，使其更加可靠。由于液壓泵系統是發動機上的連續負載，而電力負載是按需/僅在需要時，因此性能得到了額外的改進。所有這些節省和改進降低了飛機的整體燃料需求，并進一步降低了運營成本。此外，驅動功率的高效隔離和獨立性為整個系統提供了穩健性。

MEA在執行器上面臨的挑戰

開發更多電動飛機存在重大挑戰，其中之一是電力的監控和分配。需要對分布在整個飛機上的所有電氣系統進行聯網電子控制。由于現在每個系統都需要電力，因此控制架構必須得到改進和足夠的彈性，以處理飛行控制系統等系統的高可靠性要求。每個執行器都有電子設備，用于執行執行器的電機控制和健康監控，為飛行控制提供反饋。這些執行器電子設備暴露在工作溫度、壓力和海拔高度方面的惡劣環境條件下。最新的基于閃存的現場可編程門陣列（FPGA）能夠在這些惡劣的環境中以高可靠性運行。

通過MEA概念，現在設計的電動執行器通常使用永磁無刷交流電機，這需要復雜的電子設備來執行控制和監控功能。比例積分（PI）控制器、空間矢量調制、脈寬調制（PWM）、限速器、位置和速度估計器以及其他用于控制和監控執行器的工具的開發非常耗時，在用于航空執行器之前需要強大的驗證和驗證。有很多方法可以解決這個問題，包括使用微控制器 （MCU）、數字信號處理器 （DSP）、專用集成電路 （ASIC） 和 FPGA。

MCU和DSP傳統上用于單軸和雙軸電機控制設計中的算法處理。在處理運行狀況監控、報告、安全通信以及多軸或高旋轉電機的安裝要求時，MCU 和 DSP 不如基于閃存的 FPGA 解決方案。基于閃存的FPGA提供比基于MCU/DSP的解決方案更高的性能，用于高速、低延遲的算法處理，并支持集成其他系統的功能，以進一步降低總擁有成本。

針對飛機電機控制應用的電力電子設備的優化需要寬頻帶的開關頻率來提高系統的性能。DSP 和 MCU 在需要在較高開關頻率范圍內工作的應用中表現不佳。一些DSP可能會針對高頻開關優化幾個通道，但它們缺乏快速適應不斷變化的要求的能力。它們還缺乏添加更多脈寬調制（PWM）通道來控制電力電子級的能力。在當前系統中，此要求通常卸載到FPGA。ASIC 和專用標準產品 （ASSP） 具有與 DSP 和 MCU 相同的靈活性和擴展挑戰。

電機控制設計受益于降低靜態和總功率，尤其是在高頻和高溫下。與使用六晶體管SRAM單元的替代產品相比，具有嵌入式單晶體管閃存單元的FPGA具有優勢，后者在上電期間必須通過外部ROM進行配置。最新的基于閃存的FPGA解決方案使用全面的方法來最大限度地降低功耗，與基于SRAM的FPGA解決方案相比，總功耗降低50%，靜態功耗降低10%。

MEA執行器上使用的無刷交流電機的電機控制日益復雜，許多問題可以通過實施和使用基于閃存的FPGA作為其主控制器來解決。

支持 MEA 系統架構的 FPGA

向MEA的初步過渡目標是使用電液或機電執行器。這種設計過渡是通過動力驅動電子設備（PDE）引入的，PDE使用電力供應而不是傳統的液壓電源來控制執行器表面。PDE 電源核心模塊 （PCM） 包括混合電源驅動器 （HPD），用于執行電源轉換并驅動驅動電機。PCM 還包含使用 FPGA 實現和控制的數據轉換和通信功能。

電機控制算法嵌入在FPGA中，FPGA位于PDE命令模塊中。該FPGA被編程為執行各種功能，例如從外部傳感器獲取位置和速度信息，用于電機控制和通信的數據處理。

需要監控模塊來監控偏微分方程的運行狀況。這種安全關鍵功能也是通過FPGA實現的。

動力驅動電子設備的集成在波音787和空客A380等現代商用飛機中已經很明顯，但在飛機制造商采用全電動驅動系統之前，需要在技術，效率，可靠性，重量和成本方面取得進步。

FPGA 電機控制 IP

最新的基于閃存的FPGA在美高森美的雙軸電機控制套件中具有自己的電機IP套件，用于永磁同步電機（PMSM），無刷直流（BLDC）電機和步進電機，所有這些都配備了編碼器和霍爾傳感器接口用于監控。電機控制套件還包括用于通信的以太網、UART 和 USB 連接。模塊化 IP 套件具有磁場定向控制 （FOC） 轉換（克拉克、帕克、反向克拉克和逆停車）、PI 控制器、空間矢量調制、內核 3 相 PWM、速率限制器、位置和速度估計器、編碼器接口和步進角度發生器構建模塊。它允許采用即插即用的方法，通過其模塊化模塊實現設計。（圖2。

由于 IP 內置于 FPGA 中，因此比在 MCU 或 DSP 上運行的軟件更容易認證，因為不需要 DO-178C 認證。VHDL 中還提供了額外的驗證和驗證文檔，可幫助設計人員根據 DO-254 驗證其設計。還提供相關軟件，使設計人員能夠完全訪問電機控制參數，例如PI控制器的參考速度和Kp/Ki增益。

圖2：電機控制套件功能塊（無傳感器磁場定向控制技術）。

飛機中的輻射效應

對于飛機上的任何電子設備，都存在單事件翻轉（SEU）的危險。電子設備在航空高度經歷中子效應的頻率是海平面的500倍。這種高水平的中子輻射使SRAM FPGA極易受到配置干擾的影響，這些干擾會改變FPGA的功能，直到檢測到并糾正為止。然而，在廣泛的中子輻射測試中，基于閃光燈的FPGA沒有出現單事件配置翻轉或單事件閂鎖（SEL）。該測試的總暴露量超過1.1 x 1，012中子/cm2，相當于紐約市海平面超過900萬年，或紐約市上空40，000英尺高度的17，400年。這種對配置 SEU 和 SEL 效應的內在抗擾度降低了對冗余和輻射防護的要求，從而降低了未來設計的復雜性。

通往MEA的道路已經開始于空中客車A380，A350和波音B787的設計及其軍事等效產品，因為MEA上的執行器將使用越來越復雜的電子設備。基于閃存的FPGA不受中子輻射導致航空高度配置損失的影響，并且具有較大的工作溫度范圍。此外，還提供一套全面的電機控制 IP 來支持電動執行器中復雜控制和監控功能的快速開發。由于這些原因，MEA程序的執行器控制系統正在選擇閃存FPGA。

審核編輯：郭婷