（电力电子与电力传动专业论文）飞机发电机控制单元的设计与实现.pdf

a b s 衄c t g e r a t o rc 昀lu h i t ( g c u ) i s 姐i 皿p o r t 粕tp a r to fa d v 龇c e da i l m f tp o w 盯 d i s 仃i b u t i o ns y s 衄n nc o n t l st h ee x c i t a _ t i o na m mo ft h eg e n 廿栅t om a | t l l e o u t p l l “，o l t a g et ob es t e a d ya c c o r d i l l gt 0t h es t a t u so f g a l 豇a t o fa n dg c u ni sp r o p o s c dt l l a tg c um u s tb ef a l l l t t o l 啪n ，r - c l i a b l e 弛di k a l - 血船p a no f p o w 盯s i l p p l ys y s t e m d s pc o i i t r o l l 盯一1 m s 3 2 0 u 屹4 0 7 ai sa d o p t e d 勰t h ec o r e p r o c e s s 瓯a n d 脚a r cd e v e l 叩m ti sb 硒c do nn 坨铷1 b c d d e di k a l - t i m c 叫i t i 4 a s k o p 锄d s y s t 锄虻o s i i g c ui sd i 、，i d e d ci 咖血脚d l i l e s ，砌u d i n gp o w 盯 s u p p l 弘d s pm i n o rs y s t e m ，g e n 啪t o rb o o s t c r 鼬l o gc o l l 硎o n ，d i g i t a la 由u 曲m e m 柚dc a n b 懈c o m m u i l i c a t i e t c p r o j t 锄l y 咄h 锄州cd c s i g l l ，p c bd e s i 舯a n d 廿地i a s tt e s to fh ；m d w a r eo fe v e r ym o d u l e sa r e 加仃o d u c e d 缸d e t a i l p 】r o b l e ms u c ha s 踟i t c hm a l - 血n em o i l i t o r ，d m t i o no ft h eg e n e r a t o ra n dg c us t a t l l s 柚dd a t a c o n 咖i l i c a t i o ni sr e s o l v e d s o f h a r eh a sb e e np r 0 掣龇蚰e dm i x c d 诵mca n dd s p 髂s 即1 b l e a 船fp o r t i n g 肛c 0 s i i t ot m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 咖d e s i 驴m l u d i n gd e v e l 叩i n gb a r d 啪 血v e 岱，舔s i 鲥i l gt a s kp r i o r ! i t i 豁a n dt a s kn l o d u l 伪锄di n t 豇t a s kc c 唾砌l l i l i c 撕撇 p s e r 她di nd “l 。p r o 孕珈俩n gi sm o me a s y 彻dm es o f t w a s y s t 锄h 勰am 哪 c l e a r l yl a y o u t 卸dab e t t 盯e x p a n d a b l e 曲m t yb e c 肌s eo f t l 坨i i i 的d u c 矗o f p c o s 一 b u i l t - mt e 8 t ( b 1 1 ) 删鸣e d 舶mh a r d w a r et o f w a h a v eb e d c s i 驴c d s i n l u l t ；m u s l y 弛a l l y ，m 啪i s a s p e c i 丘cc 、，a l u t i 伽t h e d “e l 叩e d g c u 柚d a t c s t 衙s y s t e m t h ee v a l u a l i n ga n de x p e r i m 姐t a lr 啪l t 砌i c a t c s m tt l 壕( 配u b a s i so fd s p c 伽曲o l l c f 勰dr t o si sh i g l l l y l i a b l e ，f - a u l t - t o l 啪m ，r c a l t i m e 柚de l e c h d m a 舶e t i c c 咖叩a t i b l e 孤dc 觚c 伽舡d lt h eg e r a _ 衄咖a t i c a l l y k e y 啪r d ： a j i r a f tg e n e n l t o rc o n 舡d u e r d i g i t a ls i g n a lp i d c c s s o r b u i n m t c s t g e 代躬l t o rb o o s t e r r c a l - t i 雠o p e 州s 蝌锄 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文1 作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：徘 川年 月菇日 指导教师签名：3 丛缓 山哆年；月日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本入学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：触 卿年，月“日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着电子、计算机技术的高速发展，机载电气设备的大幅度增加，如自动驾 驶仪、雷达、电磁干扰、红外设备等，使得供电系统容量迅猛增长，同时对飞机 电源质量和可靠性有了更高的要求。为了适应新的发展需要，研究新型的飞机电 源系统已经是当务之急。 r 飞机发电机控制器( g c u ) 既是飞机供配电系统的一部分，也属于航空电子 综合系统的一部分，它的主要功能就是完成飞机发电机的控制和保护功能。 本课题的主要目标是要在以前对飞机供配电系统理论研究的基础上，完成飞 机发电机控制器的理论设计，以我国某型军用飞机为对象，完成发电机控制器 ( g c u ) 原理样机的设计与实现。 1 2 国内外的发展现状 1 2 1 国外研究现状 美国在6 0 年代初就开始研究采用电气多路传输技术的自动供电系统，7 0 年 代，即在b 1 和a - 7 等飞机上进行试验，取得成功。实践表明飞机在可靠性、安 全性和维护性等方面都有了很大的改善。8 0 年代，该项技术已走向成熟，美国 已在多种飞机上推广采用。从1 9 8 5 年开始，波音军用机公司按照美国空军司令 部航空推进研究院的合同研究了容错供电系统样机，并进行了试验。9 0 年代， 美国空军积极发展多电飞机，使用电设备剧增，电源容量相应剧增，采用了分布 式配电布局、负载自动管理和容错供电技术。在国外，先进供配电系统已在新研 制的很多飞机上应用，使飞机的供电系统与飞机的航电系统、飞控系统( f b 、砷 和发动机控制系统( f a d e c ) 的技术处于相当水平，大大提高了飞机的整体技 术优势。 随着电力电子、电力驱动、电子控制和微处理器的发展，大大提高了飞机电 气系统的性能和可靠性，因此，多电飞机被视为飞机电气系统技术的发展方向。 从某种程度来说，全电多电飞机概念的提出促进了飞机电气系统的发展，而电 气系统的快速发展又为全电多电飞机的实现提供了重要保障。虽然多电飞机前 景看好，但要实际应用还有待时日，还需要进行大量的研究、验证和飞行实验。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 随着多电飞机的发展和飞机性能的逐步提高，用电设备迅速增加，电源功率 不断增大，致使电网重量过重，驾驶舱拥挤，自动化程度低、响应速度慢，并且 维护性、扩展性和可靠性差；同时辐射式的集中配电布局亦无法适应供电需求， 这严重制约了飞机整体性能的提高。要消除这些不利影响。仅靠理论研究是远远 不够的，必须进行工程化研究。我国在七十年代末开始对飞机电气多路传输技术 进行研究，而后又相继开展了对高速数据总线，发电机控制器( g c u ) ，固态功 率控制器，远程终端等的研究；但由于多方面的原因，我国在这方面的研究与先 进国家相比仍有相当大的差距；随着计算机技术和电子技术的飞速发展，由微型 计算机为核心的发电机控制单元( g c u ) 将占主体地位。 1 3 飞机供电系统 飞机供电系统是电源到汇流条之间的部分，主要由主电源、二次电源、应急 电源、和辅助电源组成。主电源由航空发动机传动的发电机和发电机控制器等组 成。二次电源将主电源电能变换为另一种形式的电能。应急电源是一个独立电源， 当飞行中主电源发生故障时，向飞机上重要用电设备供电。航空蓄电池和辅助动 力装置是飞机上常用的辅助电源。 现有地面样机供电系统采用了分布式汇流条和负载自动管理技术，由航电系 统模拟器( a s ) 、供电系统处理机( p s p ) 、电气负载管理中心( e l c ) 、远程 终端( r t ) 、发电机控制器( g c u ) 和负载仿真器等构成的智能化的集散式控制 网络( 系统分层结构图如图1 1 所示) 。 献譬喜于系统 负虢仿真器 。葶桀桀桀桀。 黧2 箸 图l - 1 供电系统原理图 供电系统处理机( p s p ) ：控制整个输配电系统，利用航空电子系统提供的最 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 新信息和电气负载的当前状态，计算负载管理优先级、配电系统配置要求以及解 算电力需求方程，接收发电机控制系统上传的发电机状态信息。 发电机控制器( g c u ) ：发电机控制系统中的电压调节器通过采集调压点处的 电压来稳定发电机的输出电压，同时通过对发电机的各个参数的检测，以及对发 电机断路器( g c b ) 、汇流条切换断路器( b t b ) 和发电机控制继电器( g c r ) 状态的采集，对发电机进行保护，以保证发电机处于正常工作状态。 1 4 论文的组织结构 1 4 1 论文的研究内容 本文所指的电源系统控制器( g a 由发电机励磁调节系统与控制保护装置所 构成。这也反映了发电机控制器的一般构成形式，即由一种核心功能单元与一些 辅助保护装置组成。励磁调节系统是本课题研究的核心功能单元，各检测保护电 路对发电机的运行状态进行监控，控制相关数字开关的通断，并作相应的保护。 依据g c u 的基本结构，本文的主要研究内容如下： v g c u 的工作原理 v g c u 的设计与实现 d s p 最小系统设计与实现 模拟量输入通道设计与实现 开关量、数字量输入通道设计与实现 开关量、数字量输出通道设计与实现 频率量采集模块设计与实现 通信接口设计与实现 v g c u 软件设计 执行软件设计 操作系统移植 应用软件设计 交、直流电压电流处理模块的设计 交流频率处理模块的设计 开关量、数字量输入模块设计 开关量、数字量输出模块设计 总线通信模块设计 v 机内自检测( b i t ) 的设计与实现 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 b i t 的内容与手段 硬件b i t 设计 软件b i t 设计 1 4 2 论文的安排 本文分为六章： 第一章是绪论部分，该部分首先说明了课题的选题背景，接着探讨了国内外 飞机供电系统技术的发展状况，指出了我国在飞机供电自动化方面的研究正面临 着巨大的挑战，最后对飞机供电系统做了简要的介绍，并指出了采用数字式电源 系统控制器所具有的优势，从而明确了本文的研究问题和设计目标。 第二章是整个飞机发电机控制器( g c u ) 的需求分析，首先对电气负载进行 分析，然后针对整个航空电子系统和飞机供电系统对g c u 提出的要求进行了分 析，之后，提出了与本课题相关的电气控制系统结构，最后总结出g c u 在供电系 统中的功能以及相应的性能指标。 第三章是发电机控制器( g c u ) 的概要设计，根据系统结构完成了g c u 的方 案设计，据此将整个g c u 划分为电压调节模块、控制保护模块、自检测模块和测 试显示模块。 第四章完成了g c u 的硬件( 包括硬件b i t ) 实现，其中对各个模块的硬件实 现给出了详细的设计方案，并对相关的硬件电路进行详细的分析。 第五章对g c u 的软件实现方案进行的详细的论述，该部分首先对所使用的执 行软件pc o s i i 进行简要的介绍，然后将其移植到d s p 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上，着重对应用软件的任务划分、任务优先级分配以及任务模块进行了详细的设 计。 第六章讨论测试过程，首先总结了g c u 的性能特点，接着介绍了g c u 设计中 所采用的一些电磁兼容性措施，最后对系统实验的结果做了简要的总结。 西北工业大学硕士学位论文 第二章g c u 的需求分析 第二章g c u 的需求分析 飞机发电机控制器( g c u ) 是v s c f 飞机供电系统的重要部件，它能够实现对 发电机和变换器的控制，结合飞机座舱仪表板上的开关对发电系统的检测和保 护，以保证机载用电设备的电能供给。 2 1 系统对g c u 的要求 发电机控制单元( g c u ) 属于先进飞机容错配电系统( f t e p s ) 的一部分， 而飞机容错供电系统也是属于航空电子综合系统( d a i s ) 的一个部分。因此， g c u 必须能够满足飞机容错供电系统的全部要求，同时，也必须满足航空电子系 统对其负载的基本要求。 飞机容错供电系统对g c u 有三大方面的要求：系统可靠性的要求、系统供 电中断的要求、系统的容错性要求。 2 1 1 系统的可靠性要求2 可靠性是决定飞机能力的关键因素之一。根据容错供电系统的要求，供电系 统给负载供电的可靠性要比负载本身的可靠性高l o 1 0 0 倍。各个负载的可靠性 要求相差悬殊，供电系统必须能够同时满足每个负载的可靠性要求。经常应用的 是系统可靠性要求，而不是负载本身的可靠性，因为负载只是系统的一部分。并 非系统中所有的部件都具有相同的可靠性要求，因此系统的可靠性就由可靠性最 差的部件来决定。 关键飞行负载的可靠性是由飞行控制系统的要求来决定的，飞行控制系统是 关键飞行系统的最大组成部分。m i l f 一9 4 9 0 d 指出飞行控制系统故障引起战 斗机失事的概率为l o o 1 矿7 。1 5 的飞行控制故障由液压动力引起，1 2 5 由桃 械作动系统引起，6 2 5 由电气控制部件引起。飞行控制系统的电气控制部分至 少是一个双通道双余度系统。因此单个f t e p s 关键飞行负载的可靠度仅仅是飞 行控制系统中电气控制部件一个通道的可靠度。单通道的可靠度是双通道双余度 系统可靠度的平方根。关键飞行负载供电( 单通道) 的不可靠度必须低于2 4 8 1 旷g c u 作为关键飞行负载的任务时间内的不可靠度必须低于2 4 8 l 旷。 西北工业大学硕士学位论文第二章g c u 的需求分析 2 1 2 系统供电中断要求 关键飞行负载可以根据它们对供电中断的敏感性来分类，允许供电中断的时 间范围从5 0 i ls 到2 s ，例如飞行器管理系统( v m s ) 的数字处理机所允许的供 电时间中断为5 0 ps ，如果供电中断时间超出这一范围就会使负载的功能失灵。 对关键负载来说，要求供电中断时间低于单个负载最大允许时间的5 0 ，对负 载的正常供电来讲，系统设计时把最大供电中断时间保持在5 0 i l 碍内，这样就能 满足大部分负载的要求。当检测到发电机控制单元故障或发电机本身异常，把机 载用电设备供电转换到另一台发电机上，达到防止供电中断的目的因此，在 g c u 设计中也要充分考虑负载供电中断的要求。 2 1 3 系统容错性的要求n 1 容错供电系统的容错性要求是指供电系统必须可以在承受多重故障的情况 下仍然能够给负载提供电力。一般说来，供电系统的容错能力必须比电气负载的 容错能力强，才能保证不至于因供电系统的原因而降低电气负载的容错能力。先 进飞机容错供电系统对g c u 的要求为：当发电机发电通道出现故障时，用电设 备供电要在系统要求时间内切换到另一通道，或在应急状态下投入应急发电机。 2 1 4 航空电子综合系统的要求 航空电子综合系统的发展方向要求其子系统具有模块化、标准化、智能化和 可维护性的特点陆1 ： 。 1 、模块化模块化是综合化的基础，更高程度的模块化将带来更高程度 的综合化。航空电子综合系统以模块化的结构实现，不仅能适应航空电子综合系 统应用的通用性，而且易于实现系统故障检测和系统重构。 2 、标准化标准化是综合化的又一实现基础，制定标准的目的就是为了 使航空电子设备具有更高的通用性。 3 、智能化人工智能是由最新的计算机技术和微电子技术结合而成的一种 尖端技术。将人工智能技术应用于航空电子综合系统可大大提高信号和数据的处 理速度，减轻空勤人员的负担。随着微处理器速度的飞速发展及其成本的不断降 低，飞机上原来的非智能部件也朝着智能化的方向发展，这将大大推动航空电子 综合系统的发展。 4 、可维护性随着航空电子综合系统的曰益复杂，维护时间不断延长， 维修费用不断增长，可维护性才逐渐成为系统评估的重要指标。如宝石柱系统就 充分考虑了系统的可维护性，把基本的维修元件从外场可更换装置( 如黑匣子) 西北工业大学硕士学位论文第二章g ( 耵的需求分析 变成现场可更换模块( l 删) ，不仅降低了模块成本，并能在系统中运用两级维护 方案。可维护性的提高主要依靠系统的自检测功能来实现。 发电机控制单元( g c u ) 作为航空电子综合系统中的一个子系统，因此也应 该具有模块化、标准化、智能化和可维护性的特点。 2 2 g c u 的任务设计 先进的飞机供电系统为一包括供电系统处理机( p s p ) 、电气负载管理中心 ( e l 胍) 和发电机控制器( g c u ) 组成的分布式网络，监控供电系统并对其施加 控制功能。系统的各个控制单元通过数据传输总线传递信息。 供电系统处理器( p s p ) 控制整个电气系统。发电机及其控制系统状态信息 通过数据总线向p s p 传输。 2 2 1 发电机控制器( g c u ) 的功能定义 由前面分析整个供电系统包括了若干个g c u 组成，本论文所设计的g c u 按通用性来设计，这样比较灵活，可以按系统的需求进行配置。下面将对通用型 的g c u 的功能作具体分析。 ( 1 ) 控制功能 发电机调压点的电压调节； 根据调节点电压和系统状态，通过飞机座舱的控制面板上的手动开关实 行对发电机控制继电器g c r ，发电机断路器g c b 和汇流条切换断路器b t b 的 闭合断开控制； ( 2 ) 保护功能 o c u 对发电机、变换器和g c u 本身的故障实行保护，根据不同保护项目和 保护要求，应选取不同的动作时间延迟。其主要的保护项目如表2 1 。 序号保护功能敏感形式调闸方式极限值延时 1 过电压任一相( 高相)去发电机励磁 1 2 5 v 3 o ，5 哪 及断开g c r 2 欠电压任一相( 低相)同上 4 1 5 5 h z 0 5 l s 4 欠频任一相 同上 o 5 v 直流反延时 1 、，秒 7 d s p 定时器监控电路同上无信号输出不延时 ( 3 ) 通信功能 表2 1 发电机及控制系统保护功能 西北工业大学硕士学位论文 第二章o c u 的需求分析 g c u 通过数据总线向p s p 上传发电机本身的状态、发电机控制器的状态、 各开关( g c b 、b t b 、g c r ) 的状态信息，p s p 不向g c u 下达控制指令。 ( 4 ) 自检测( b i t ) 功能 g c u 自身形成一个完整的b i t 系统，由于使用d s p 2 4 0 7 微控制器作为c p u ， 对v s c f 电流的故障有较强的诊断和鉴别能力。 b r r 完成如下任务： 检测和隔离电源系统的故障； 在n 、礓i 中记录保护断路器跳闸和关于故障原因的故障码； 飞机时把b i t 数据码存在_ m 中； 有u u 故障显示功能； 周期性地进行自澳4 试，o c u 要完成包括c p u 、存储器、发电机的温度、 各开关的状态和所有控制和保护单元到微处理机的接口电路的自检测； 根据以上的分析，g c u 包括电压调节和控制保护两部分，它的功能框图如图 2 1 所示。包括发电机调压点的电压控制、发电机各数字开关的控制和保护、与 p s p 之间的数据通信及系统的状态自检测。 图2 一lg c u 功能概翻 西北工业大学硕士学位论文第二章g c u 的需求分析 2 2 2 发电机控制器( g c u ) 的性能要求 供电系统的任务是提供符合规定技术性能的电能。具体到g c u 就是尽可能保 证输出到各负载的电能符合质量要求。飞机上的某些负载对供电质量极度敏感， 对电压值及其波动，供电中断时间有严苛的定义，这就要求g c u 在有效地获取发 电机输出的电能参数的同时，根据参数提供的信息做出相应的判断与控制，这一 点在故障状态下体现的尤为重要。如美国军标m i l s t d - 7 0 4 e 就对飞机供电特性 有着严格的要求。 除了对供电特性的要求之外，设计g c u 时还必须考虑其它方面的需求。其中， 在供电系统的实际设计中，有大量的离散量i 0 ，它们的时间响应对于供电特性 的满足有着重要的影响。 g c u 与p s p 之间的通讯包含了多种信息，主要的内容是在g c u 采集的状态， 它们的时间特性对供电系统的时问响应至关重要。 为了有效的监控各开关( g c b 、b t b 、g c r ) ，g c u 对开关量的采集和处理必须 保证足够的分辨率。 2 3g c u 的方案分析 2 3 1 微控制器的选定 处理器是整个g c u 的核心，所以处理器的选型就十分重要。 g c u 的c p u 采用1 r i 公司d s p 控制器i m s 3 2 0 u 眩4 0 7 a ，萁属于通用型d s p 控制器，应用面广，十分适用于工业控制领域。与普通单片机m c s 5 1 系列相比， d s p 控制器具有以下优点： m c s 5 1 系列器件基本上是m d o s 和c m o s 工艺；d s p 则广泛采用亚微 米c m o s 工艺，从而使得集成度更高，功耗更低。 单片机的内部结构是基于冯诺依曼( v 0 悱n c l 蛐a n ) 结构，指令、程序 和数据统一编址。而d s p 则一推出来就是哈佛饵a r v a r d ) 结构，程序存储器和数 据存储器分开使用，独立编址、独立访问，从而使数据的吞吐率提高了一倍。在 改进的哈佛结构中，又使用了高速缓冲技术( c a c h c ) 、流水线技术等。 单片机的内部结构一般包括：c p u ( 主要是a i 和寄存器) ，存储器 ( r o m 和r a m ) 、i ，o 端口、定时器计数器和中断系统等五部分；d s p 的内部 集成了删，并且加入了乘法器、桶形移位寄存器等，此外还有存储器( 包括 d 舢m m 、s a 】幽m 和r o m ) 、d m a 、定时器、s p i ，、s c l 、p w m 和h p i 等， 外围接口能力也在不断提高。 西j t 工业大学硕士学位论文第二章g c u 的需求分析 d s p 都采用内部多总线结构，使数据的存储和指令的执行更加快捷。 d s p 具有快速的指令周期，如1 m s 3 2 0 l i 2 加7 a 的指令周期为2 5 i l s ，而 i m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的指令周期已经降到了6 7 n s ，如此高的运算速度使其可以满足许 多实时处理的要求。 d s p 控制器片内集成了丰富的外设( 如i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中集成了a d 转换器、c a n 控制器等) ，并且，不同型号之间内部结构有所不同，但在代码上 却是继承的，这样利于将来软硬件升级。 d s p 器件广泛使用了j ，i a g 硬件仿真，比单片机更易于硬件调试。国产 化的d s p 开发系统为更多用户采用d s p 器件提供了可能性。 从结构上，d s p 可分为定点d s p 和浮点d s p ，定点d s p 与浮点d s p 硬件 结构上最大的不同之处在于数据存储结构方面。对浮点d s p ，用户不必知道如何 存储数据，而应用定点d s p 时必须了解数据存储格式，必须对数据格式作一些 转换。一般情况下，定点d s p 适用于采样频率低、算法相对比较简单的场合， 浮点d s p 适用于采样频率高、算法相对比较复杂的场合。如果涉及的数据范围 大，则采用浮点d s p 比较合适。 g c u 的主要任务是根据稳定发电机输出电压和根据采集的发电机状态控制 各相应的开关，处理器的主要功能是进行逻辑运算和执行控制功能，虽然处理模 拟量需计算有效值，但其计算量不是很大，因此，核心处理器采用定点d s p 较 为合适。目前生产d s p 芯片的厂家比较多，较著名的有a d 、a t t 、m o t o r o l a 等 公司，经过综合权衡，选择了t i ( t e x a si n s t r u 鹋n t s ) 公司生产的定点d s p 芯 片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 后面简称l f 2 4 0 7 a ) 。 该型d s p 为1 6 位定点d s p ，采用静态c m o s 工艺，指令周期为2 5 璐，芯 片供电电压为3 3 v ，功耗很低。2 4 0 7 a 片内有5 4 4 字的双获取m m ( d a r a m ) 和2 k 字的s a 】u 蝴；3 2 k 字的片上f l a s h ( 4 部分) 以及2 5 k 字的数据程序 r a m 。 2 4 0 7 a 片上外设资源非常丰富：4 个1 6 位的通用定时器、1 2 1 6 个的1 6 位 比较p w m 输出通道( 可使能) 、6 4 个外部事件捕获正交编码脉冲输入单元、 串行通讯接口s c i 单元、1 6 位串行外设接口( s p d 单元、控制器局域网c a n 2 。o b 模块、看门狗时钟单元以及1 6 个通道的1 0 位a d c ( 最小转换时间为5 0 0 n s ) 。这 些片上外设资源通过2 4 0 7 a 的两个事件管理器( e v a 和e v b ) 来管理，使用起来 很方便。 2 4 0 7 a 提供了外部存储器接口，该型d s p 的总存储器空间可扩展到1 9 2 k 字：枷【的程序空间、6 4 k 的数据空间和6 4 k 的i o 空间。由于2 4 0 7 a 本身内 带3 2 k 字的f l a s h ，所以一般不必外扩r o m ；外部r a m 可以根据需要进行扩 西北工业大学硕士学位论文 第二章g c u 的需求分析 充，外部数据r a m 可以扩充到3 2 k ，外部程序r a m 也可以扩充到3 2 k 。 2 4 0 7 a 还拥有加个独立可编程的通用i ，0 口( g p i o ) 以及两个可屏蔽外部中 断n t l 、) a n 他。 2 4 0 7 a 所具有的a 仍采集模块，c a n 模块，事件管理器所具有的频率捕获 功能都符合我们对处理器选性的要求。c a n 模块用于c a n 总线通讯，用作验证 数据总线的应用。 飞机采用了频率达到4 0 0 h z 的交流电压，采样的频率较高，2 4 0 7 a 的a 仍 转换器最小转换时间可以达到5 0 0 哪，足以满足系统交流采样的要求。在频率采 集中，要求计数器频率超过被采样信号频率两个数量级以上，由于2 4 0 7 a 的计 数器周期可】吸与指令周期同步，远远超出系统性能的最低要求。 在g c u 工作过程中，交流采样、频率采集、开关量采集包括软件中的软件 定时各自对定时要求不同，在这一点上，2 4 0 7 a 的4 个通用定时器很好的满足了 系统的需要。 此外，2 4 0 7 a 的定时器被设计成可以产生各种类型的中断，并且中断信号可 以作为刖d 等的触发信号，这避免了软件触发产生的周期的不确定性，大大增 加了数据的可信度。 2 4 0 7 a 本身所具有的3 2 kf l a s h 存储器能够满足多数程序的需要。3 2 k 的 数据r a m 也能够满足相应的数据存储需求。其所具有寻址达到6 4 k 的程序空间， 数据空间和i o 空间则提供了额外的存储能力。 2 3 2 模拟量采集方法分析 根据g c u 的功能分析，模拟量采集部分主要包括发电机输出交流电压、发电 机励磁电流、发电机永磁机频率、交换器频率、直流分量、交流畸变、电源电压。 1 电压采集 电压采集分交流电压采集和直流电压采集。 g c u 电源电压采用精密电阻分压的方法，电压降到d s p 的a 加通道可以承 受的电压范围之内，再经滤波、阻抗匹配等处理送入a 仍采集端口；直流分量 的采集采用低通滤波的峰值检测方法。 对于交流电压的采样通常采用两种方案，第一种为峰值采样法；第二种为有 效值采样法。峰值采样法的前提是飞机电网电压近似为正弦波，畸变小。采用这 种方法主要是飞机电源频率较高( 一般为4 0 0 h z ) ，用峰值采样法，能大大减少 系统软件的开销，操作与计算都比较简单。其缺点是当输入信号为非标准型正弦 波时，误差较大。有效值采样是将输入电压信号进行逐点采样，然后根据电压有 效值的概念来进行计算电压的有效值。不管输入信号是否是正弦波，都能精确地 西北工业大学硕士学位论文第二章g c u 的需求分析 计算出电压的有效值，缺点是采样点数较多，对a d 的转换速度要求较高且计算 复杂。 2 频率采集 频率测量的方法主要分为两种：以硬件电路为主的硬件测量法和基于交流采 样值处理的软件测量法。 硬件测量方法的基本原理是：用电压比较器将正弦波信号变换成同频率的方 波信号，由方波信号的上升沿或下降沿向处理器申请中断。处理器通过测量相邻 两个中断间的时间间隔来求取电压信号周期，得到系统的频率值。该测量法的优 点在于：实现电路简单，响应快，处理器计算量小。它也存在一些缺陷：谐波分 量会给测量造成影响，需占用处理器外部中断口。 软件测频算法很多，归纳起来有以下几种：周期法一通过信号波形相继过 零点的时间宽度来计算频率，其原理与硬件测频法相同。该方法物理概念清晰、 易于实现，但精度低，受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时性不好，因此， 实际应用时很少采用单一的原始周期法。对它的改进主要是提高测量精度和实时 性，典型的改进算法有水平交算法、高次修正函数法和最小二乘多项式曲线拟合 法等，它们以计算量和复杂度来提高算法的精度和相应速度( 原始的周期算法的 时延决定于信号特征而非计算量) ，一定程度上丧失了原有算法的简明性。解析 法一将信号观测模型进行数学变换，将测量量f 或f 表示为采样值的函数来 估计。解析法算法简明，计算量不大，较传统的周期法有所改进。用解析法测频 时，为简化分析与计算，一般采用较简单的信号数学模型，难以考虑谐波、非周 期分量等的影响，因此往往要有前置滤波环节。如上述算法，当电网中谐波含量 较高时，必须采用适当的数字滤波对采样数据进行预处理。d f t ( f f t ) 类算法一 该类算法利用前后数据窗的d f t 计算结果求取频率偏移进而估计频率值。它可通 过自适应调整采样时间问隔或自适应调整采样数据窗长度的方法来提高测量范 围、精度和算法稳定性。此外，还有最小二乘算法等多种算法。 软件测频方法优点在于：不需要专用测频硬件电路，它通过对交流采样值的 分析和计算，采用一定的算法来求取系统频率。这种方法的缺点是计算量大，实 时性差。 模拟量采集要完成对4 0 0 h z 交流信号频率的实时测量，软件测频法要占用 较多的处理器时间，必然会对其他任务的执行造成影响，因此难以满足要求。同 时，l f 2 4 0 7 a 中包括6 个专用的捕获单元，特别适合对方波频率的测量，在信号 的输入通道中加入适当的低通滤波器以避免谐波给测量带来误差，就可以克服硬 件测频法的缺陷。所以，本设计选用了硬件测频法，即通过d s p 的捕获口实现频 率测量。 西北工业大学硕士学位论文第二章g c u 的需求分析 2 3 3 开关量监控电路的分析 开关量主要用于监控发电机断路器g c b 、汇流条连接断路器b t b 、发电机控 制继电器g c r 等开关器件。开关量的监控是实现系统监控与系统重构的重要组成 部分。不仅要能够可靠的监测，有效的控制，还必须严格的遵循供电系统对时间 响应的要求。如前所述，在故障状态下，针对供电系统的不同状态，g c u 必须在 满足不同响应时间的前提下做出相应的处理。 针对不同的状态，开关量、数字量的监控在硬件上可以是完全一致的，但在 软件体系上，它必须有两套不同的机制，一种负责正常工作状态下得开关量、数 字量测控任务，在正常监控工作中，也应根据双峰值响应时间，即5 0 m s 和3 0 0 m s 的要求设计软件流程。另一种则只在系统发生异常时工作。对于严重的多故障环 境，开关量、数字量监控所采用的方式还应作必要的改变；例如，提高开关量、 数字量监控的频率，利用软件中断处理子程序处理开关量、数字量的监控；动态 改变开关量处理相关程序的优先级，其控制放在中断中完成。 开关量、数字量二者本身在内涵上是有所不同的，因此这二者的处理并不是 完全一致的。通常所指的开关量包含了对开关量改变时间的需求，也就是说，对 开关量的采集与控制应该包含相应的时间。对于8 位的g p l 0 端口而言，采集到 开关量状态后，应该将采集状态时的系统时间也记录下来；更具体的，可以记录 下当时的系统时钟节拍计数，并把计数值放入存储开关量状态的字的高8 位。对 于开关量控制，也应记录下当时的时钟节拍计数，并作为返回值保留并存放在历 史纪录中。 数字量本身没有对时间的需求，因此也就不必采用开关量的方式来处理。 d s p 自带有4 0 路通用i 0 端口，远远满足系统的需求，因此不需外扩i 0 端口，同时d s p 与外围器件接口时，应考虑驱动能力，在中间添加驱动器和隔离 器件，以保护d s p 和外围器件不受损害。 2 3 4g c u 的通信方案分析 数据传输总线是系统的重要组成部分，它负责完成g c u 和p s p 之间的通信， 把g c u 处理完的状态信息上传到p s p 。 在先进飞机供电系统中应采用m i l s t d _ 1 5 5 3 b 总线进行通信，但是现阶段在 课题中使用1 5 5 3 b 总线还有许多的条件限制，因此决定采用其他的总线来代替 m i l s t d _ 1 5 5 3 b 总线进行通信。考虑到现场总线c a n ( 即控制器局域网络) 突出 的可靠性和实时性等特点，决定采用现场总线c n 来代替m i l _ s t d 1 5 5 3 b 总线进 行数据通信。 c a n ( 控制器局域网络) 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决现代汽车 西北工业大学硕士学位论文第二章g c u 的需求分析 中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行通信总线，其强调了 实时性，设计独特，可靠性极高，特别适合工业过程监控设备的互联，因此越来 越受到工业界的重视，得到了广泛的应用。 c a n 总线是一种多主总线系统，通信速率可达1 岫s 。c a n 协议的一个最大 特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，这种按数据 块编码的方式，可使不同的节点同时接收到相同的数据，这在分布式控制系统中 非常有用。每帧的数据段长度最多为8 b ，足以满足通常工业控制领域中控制命 令、工作状态及测试数据的一般要求，并且较短的数据段在总线上传输时间较短， 从而保证了通信的实时性。 2 3 5g c u 的软件平台的选择 g c u 控制单元的执行软件应当是一个嵌入式实时操作系统( r t 0 s ) ，其中， 应用软件的运行与外部实时通道协调一致。协调所产生的最小量化时间被称做短 周期，在一个短周期内可以规定或确定某种动作的时间，但短周期不可以再分。 这样，在短周期的时间范围内可以产生、了解并控制i o 交互和任务交互。对于 i 0 接口控制、同步以及执行过程的管理，定时是必需的。此外，控制单元的执 行软件还在应用软件功能和驻留在航空电子处理器的总线控制器功能之间提供 了接口。在实时操作系统中，通过将应用程序分割成若干独立的任务，这些任务 的运行实际上是靠c p u 在多个任务之间转换、调度，轮番服务于这些任务中的某 一个。使用可剥夺性内核时，所有时间要求苛刻的事件都能得到尽可能快捷、有 效的处理。因此，应用程序的设计大为简化，并且实时应用程序的设计和扩展变 得容易。 获得嵌入式实时操作系统的途径有三种： ( 1 ) 针对本系统开发专门的执行软件。这样的话，相当于设计一个小型操作 系统，其周期长、工作量大、难度也大，而且难以保证其可靠性。 ( 2 ) 购买商用实时操作系统( r t o s ) ，在此基础上进行应用软件的开发。通常 r t o s 较昂贵，因此经费开销会比较大。 ( 3 ) 寻求源代码公开的自由软件，并在其基础上进行二次设计。 本文选择了源代码公开的嵌入式实时操作系统屺0 s i i 作为g c u 控制中心 的执行软件。选择该操作系统主要基于以下几个因素： ( 1 ) 此0 s i i 已经通过了联邦航空局( f a a ) 商用航行器认证，符合r t c a ( 航 空无线电技术委员会) d o 1 7 8 b 标准，该标准是为航空电子设备所使用软件的性 能要求而制定的。 ( 2 ) 对于所选用的核心处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来说i 矧， 西北工业大学硕士学位论文第二章( 配u 的需求分析 c 编译器能产生可重入代码； 用c 语言可以打开和关闭中断； 支持中断，并且能产生定时中断； 具有1 6 位宽度、8 级深度的硬件堆栈； 具有将系统堆栈指针和其它c p u 寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指 令。因此，此o s i i 完全可以移植到该处理器上。 ( 3 ) 此0 s i i 公开了全部的源代码，其绝大部分源码是用移植性很强的a n s i c 编写的，只有小部分与硬件相关的内容用汇编语言编写，使得屺o s i i 便于 移植到多种微处理器( 如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 上。 ( 4 ) 屺0 s i i 是为嵌入式应用而设计的，因此可以嵌入到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中， 成为g c u 的一部分。 西北工业大学硕士学位论文第三章飞机发电机控制器( g c u ) 的硬件设计 第三章飞机发电机控制器( g c u ) 的硬件设计 在前面两章中，已经对g c u 的功能作了详细的分析，在此基础上根据功能要 求将g c u 划分为电源模块、发电机输出电压调节模块、d s p 最小系统、开关量调 理电路、模拟量调理电路、c a n 通信模块、频率检测模块和b i t 自检测等功能模 块，并且对各模块的设计方案作了详细的描述，其结构如图3 1 所示。在本章中， 将根据这些内容逐一介绍这些模块的硬件设计，其中的一些硬件电路中设计了b i t 自检测功能，如电压调节模块的状态量调理电路。 逆变器 图3 - lv s c f 发电系统原理图 3 1 电源模块的设计 g c u 的电源设计对整个系统是否正常运行起着至关重要的作用，电源设计时必 须考虑功率、电平及抗干扰等问题，电源功率必须满足全系统的需要。g c u 中的 电源模块部分单独放在一块电源板卡上，通过电源总线接到总线板上负责为其他各 模块板卡提供可靠、隔离的工作电源，包括5 v 、+ 1 2 v 、1 2 v 、3 3 v 、2 5 v 。 永磁机输出的三相交流电源或备用的直流2 8 v 一般不能直接提供给g c u 的各 个模块使用，必须将供电电源进行隔离，稳压后成为各种所需的直流电源才能供给 西j b 工业大学硕士学位论文第三章飞机发电机控制器( g c u ) 的硬件设计 各模块使用。g c u 是由永磁机输出的三相交流电源和备用的重要2 8 v 直流电源供 电，因此，即使1 群发电机、2 群发电机、应急发电机发生故障，备用2 8 v 蓄电池也 能提供“插入”电力，消除开关动作引起的延迟，保证系统正常工作，从而使该电 源满足系统任务的要求。 永磁机输出电压输入后经过a c 仍c 电源模块和d c ，d c 模块交换到2 8 v ，然 后通过二极管，与机上的备用2 8 v 构成备份。从两个二极管阴极输出的2 8 v 直流 电输入到了三个d c 电源模块，产生g c u 工作所需的+ 5 v 、1 2 v 电压、。而 在g c u 中所用的其他3 3 v 、2 5 v 等电源可以在电路板上采用电压转换芯片从+ 5 v 分别得到。g c u 电源模