（电力电子与电力传动专业论文）多电飞机电气负载管理中心的研究.pdf

西北： 业大学硕士学位论文多电e 机电气负载管理中心的研究 a b s t r a c t m o r ee l e c t r i c a i r c r a f t ( m e i sa i m p o r t a n t t os t u d ye l e c t r i cl o a dm a n a g e m e a f e a t u r eo fa d v a n c e df i g h t p l a n e i t i s c e n t e r ( e l m c ) ，w h i c h i st h ek e yu n i to f t h el a t e s td e v e l o p m e n to fe l m c ，w h i c hi sc o m p o s e do fd i s t r i b u t i o np o w e r c e n t e ru n i t ( d p c u ) a n de l e c t r i c a lr e m o t et e r m i n a l ( e r t ) ，i sg e n e r a l i z e di nt h e p a p e r e l m cs c h e m ei sp r e s e n t e da c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa v i o n i c sa n d t h er e q u e s to ff a u l tt o l e r a n te l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ( f t e p ) f t e ps t r u c t u r e b a s e do n2 7 0 9d i r e c tc u r r e n ti st h e nd e s i g n e dt or e a l i z et h ed e m o n s t r a t i o no f d p c u a p p l y i n gt h el a y o u to fi m p r o v e de r t w i t hs i n g l ec h a n n e l ，e r ti sd e s i g n e da s a ne m b e d d e dr e a l - t i m em u l t i t a s ks y s t e mb a s i n go np c i 0 4a n dl ，t c o s - i ii nt h e p a p e r m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt o t h ep r o c e s so fr e a l t i m em u l t i t a s kd e s i g n ，d a t a f l o wd i a g r a m ( d f d ) o fe r ts o f t w a r ei sc o n s t r u c t e da n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ei s d e v e l o p e db yt h ed f d t h em e t h o do fe r ts o f t w a r ed e v e l o p m e n ti s s t r u c t u r e p r o g r a m m i n g ( s p ) i n s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，d i s t r i b u t i o n ，p r i o r i t y , t a s kf l o wc h a r t d e s i g n ，p a r a l l e ls c h e d u l eo f t a s k s a r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y ，e l m cm o d e li sf i n i s h e da n dt e s t e dw i t hp o w e rs y s t e mp r o c e s s o r ( p s p ) ，s o l i ds t a t ep o w e rc o n t r o l l e r ( s s p c ) ，a n ds e r v os y s t e m e x p e r i m e n tp r o v e s t h a te l m cc a nf u l f i l lp l a n n e df u n c t i o np e r f e c t l y k e y w o r d ： m o r ee l e c t r i ca i r e r a f td i s t r i b u t i o np o w e rc e n t e r e l e c t r i cl o a d m a n a g e c e n t e r p c o s i i e m b e d d e d l i 西北- j + 业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 1 1 概述 第一章绪论 六七十年代，国外一些装备液压作动筒的军用飞机多次失事，迫使人们寻 求更可靠得飞机舵面操纵机构。由于电工技术的发展和飞机需求，以及电力电 子器件、大规模集成电路和微处理器的广泛应用，用机电作动筒代替液压作动 筒成为可能。通过研究、试验和试飞，证明在新技术基础上发展的机电作动筒 同原有的液压作动筒相比，不仅性能、体积和重量不变，而且可靠性、生命力 和维修性显著提高。由此也设想用电能取代气压能等，即二次能源全为电能的 飞机，引发了全电飞机的概念。 全电飞机就是一种用电力供电系统取代原来的液压、气压和机械系统的飞 机，即所有的次级功率均用电的形式分配。由传统飞机到全电飞机需要一个漫 长的发展和过渡过程，涉及到的关键技术有：机电作动筒、高速电机、电气环 控、电动燃油、固态配电等。在一定时期内，以电能部分取代液压、气压等能 源比较现实。这样，波音公司在八十年代初首先提出了多电飞机( m e a ) 的概念。 多电飞机( m e a ) 是全电飞机发展的一个过渡过程，是用电力系统部分取代 次级功率系统的飞机。多电飞机( m e a ) 将飞机上的二次动力转化为一种电动力， 全部二次动力由主发电机承担，没有发动机带动的液压泵，以及全机身分布的 液压管路，也没有供气压拖动用的发动机放气管路。飞机的主要操纵面都是由 电动力驱动小直径的绞线拖动机构操纵。其启动发电机直接安装在发动机短轴 上。这样，所有飞机机载设备和操纵系统都将由电能驱动，从而实现飞机的电 气化控制和管理。 多电飞机( m e a ) 电气系统具有以下主要特点： 1 系统控制部分采用标准数据总线( 国际上目前通常为1 5 5 3 b 总线) ， 以实现供电处理机和各智能终端间的数据通信。 2 负载管理中心智能化，以实现各种复杂飞行条件下负载控制的高度协 调。 西北上业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 3 机内电气部件具有自检测( b i t ) 能力，以实现飞机部件级的故障隔离。 4 供电处理机由数据总线获取各种负载飞行状态数据信息，依照这些信 息和飞机飞行状态等因素控制系统的各智能终端。 无论是全电飞机还是多电飞机( m e a ) ，由于飞机用电量的急剧提高，都需 要飞机电气系统性能有一个飞跃性的发展。 电气负载管理中心( e l m c ) 是多电飞机( m e a ) 电气系统中的关键部件，主 要包括配电中心和控制中心。它的作用是保证飞机上所有用电设备( 如飞行控制 系统、各种电子设备、武器控制、照明、防冰与环境控制系统等) 连续的提供满 足规定技术性能的电能，保证用电设备的正常工作，若供电系统发生故障时， 能够及时的按照预定的方案进行容错处理。它利用智能模块来代替飞行人员的 操 仨，进行自动控制和负载管理，可大大减少配电系统的电缆长度以及飞行人 员的负担，改善现有的配电方式和负载管理方法。 配电中心的主要功能是给不同负载提供满足其需要的电源，主要由交、直 流汇流条和蓄电池汇流条、转换继电器、固态功率控制器( s s p c ) 以及二极管 等电气部件组成。配电中心根据其控制方式的不同可分为常规式、遥控式和全 自动式( 固态式) 三种。 控制中心负责完成负载及汇流条的信号采集、控制、通讯、数据处理等功 能，其目的是，以供电处理机命令、电力汇流条电压和应急模式选择器状态为 依据，按照既定的控制策略使s s p c 和转换继电器动作。 1 2 国内外研究现状 自七十年代提出全电飞机的概念后。美国就开始在a 7 - e 飞机上进行分布式 配电和负载自动管理的可行性试验。d a i s 计划掀起了数字式航空电子综合控制 系统的革命性开端。八十年代后，美国海军航空发展中心提出了“固态电气逻 辑( s o s t e l ) 控制组合规范”的理论，并先后在f 一1 6 、y a h 6 4 、b - 5 2 和海军 l a m p s 舰载直升机上充分使用了分布式配电和负载自动管理技术，使飞机在可 靠性、生存能力、可维护性和灵活性等方面均得到很大改善。在后来的f 一2 2 先进飞机中更采用了可编程固态开关、1 5 5 3 b 总线和微处理机自动管理技术在 2 萌北土业人学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 西欧的一些国家，首先以航空电子系统为主要内容的是e a p ( e x p e r i m e n t a l a i r c r a f t p r o g r a m ) 计划。随后是比e a p 更大一个数量级的e u r o f i g h t e r 计划。 我国对该课题的研究起步较晚，自七十年代末才有少数军工国防单位开始 对飞机电气多路传输技术进行研究。进入八十年代后，才开始对e l m c 进行研究。 尽管有关部门傲了许多工作，但是由于资金、器材和技术资料的不足，使我国 在这方面的研究与世界先进国家相比差距甚远。目前我国飞机电源系统仍采用 传统的中央集中配电方式，随着航空技术的迅速发展，飞机性能有了大幅度提 高，用电设备迅速增加，电源功率不断提高，致使电网重量过重，驾驶舱十分 拥挤，而且使得维护性、扩展性和可靠性差，自动化程度低，响应速度慢，严 重影响了飞机整体性能的提高。特别是全电飞机和多电飞机( m e a ) 供电系统提 出以后，辐射式的集中配电布局更无法适应，因丽迫切要求改变现有的电源控 制与管理系统，采用一套新型电源控制与管理系统，以适应新一代先进飞机的 性能要求。 l - 3 选题依据 本课题来源于国家“十五”空装多电飞机( m e a ) 预研项目。多电飞机( m e a ) 是下一代先进战斗机的一个重要特征。国外在多电飞机上已进行了长期的研究。 与国外的研究水平相比，我国在多电飞机( m e a ) 方面的研究水平差距还很大， 基本上还是一片空白。首先是多电飞机( m e a ) 的系统研究尚未真正开始，“九 五”期间仅仅是启动了高压直流发电配电系统的原理性研究。开始了机电作动 器、电动静液作动器的功率电传作动器，以及高速电动机驱动的空气循环机的 研究。对电力作动器的多种执行电机的研究取得了一定的成果。因此“十五” 期间应加大研究的力度，以满足新一代歼击机的需要。 e l m c 是多电飞机( m e a ) 电气系统的一个重要部件。本课题的目的是研究 能适应现代飞机要求的电气自动控制与管理系统以实现负载的自动管理。实现 负载的自动管理可大大减轻空勤人员的负担并提高供电系统可靠性，同时可使 供电系统减轻重量、节约空间，驾驶舱可除去中央配电系统，还可提高维护性。 高性能的飞机特别是多电飞机、全电飞机，机载设备的综合化程度已经很高， 西北工业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 人工操作的反应速度已无法达到要求，必须实行自动管理。负载自动管理系统 可达到电源的最有效的利用：该系统可以有秩序地给电力汇流条加载或卸载， 实现发电机负载的逐步建立，这可避免大负载的突加和突卸所引起的电压波动， 从而保证了供电质量；当飞机在战斗损坏或故障时，可以按负载管理优先级卸 载，保证向关键飞行负载供电，这样就可在有限功率的条件下提高飞机安全返 航的概率。 e l m c 在多电飞机( m e a ) 系统结构中的地位如图1 - 1 所示。 图1 - 1 多电飞机( m e a ) 系统结构 e l m c 在多电飞机( m e a ) 系统中起着对其周边负载控制和管理的作用，是多 电飞机设计的重要内容。 1 4 主要研究内容 1 配电模拟系统设计 分析多电飞机( m e a ) 电源特点，选用2 7 0 v 高压直流电源作为供电系统。以 此为基础，按照航电模拟系统和容错供电系统要求，设计硬件配电模拟系统。 2 控制中心硬件设计 4 西北r 业大学硕七学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 设计以工控机p c i 0 4 为中心的接口电路，主要有a d 采集接口、内存映射方 式的双端口r a m ( b p r a m ) 通讯接口、s s p c 接口等。 3 通讯协议制定 按照容错供电要求，估算系统通讯量化时间，定制通讯周期。依据通讯周 期和系统功能制定通讯协议。 4 控制中心软件设计 分析比较多种实时操作系统的性能，开发以实时嵌入式操作系统u c 0 $ 一i i 为核心的应用软件，包括软件结构分析、系统移植、流程图设计、多任务设计、 优先级分配、代码优化等。 5 样机调试 按照样机考核指标，制定实验报告，测试系统功能，最后对实验结果分析。 西北工业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中一t 5 的研究 第二章e l m c 总体方案设计 2 1 需求分析 e l m c 应该满足航空电子和现代飞机容错供电系统要求，并且依据不同的负 载类型达到实时性、可靠性以及电磁兼容性要求。 2 1 1 航空电子系统特点 航空电子综合系统的发展方向是全分布式结构和信息高度综合，要求航空 电子综合系统以及航空电子综合系统的子系统具有模块化、标准化、智能化和 可维护性这样一些特点。 1 模块化 模块化是综合化的实现基础，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的应用 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 标准化也是综合化的实现基础，制定标准的目的就是为了使航空电子设备 更具有更高的通用性。 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。 它是专门探索人类感觉和思维过程以及研究应用计算机模拟人类智能活动的一 门新学科。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，帮助空勤人员最有效地完成任务。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，如智能传感器和智能执行部件的出现，这将大大推动航空电 子综合系统朝着全分布式的方向发展。 4 可维护性 在想当长时间内，可维护性在系统设计过程中得不到重视。随着航空电子 p 目北工业人学硕士学位论文多电e 机电气负载管理中心的研究 综合系统的日益复杂，维护时间不断延长，维修费用不断增长，可维护性才逐 渐上升到与系统性能处于同等重要的地位，成为评估系统的重要指标。如宝石 柱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变成现 场可更换模块，这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据系统的自检测功能来实现。 2 1 2 容错供电分析 1 容错性要求 容错是指当出现某些指定的硬件故障或软件错误时，系统仍能执行规定的一 组程序( 或算法) ，或者说程序不会因系统中的故障而中止或修改，并且执行结 果也不会包括系统故障所引起的差错。 按照先进飞机系统航空电子计划的要求，容错供电系统应能够承受多次故 障，并能向负载供电。具体要求如下：在经受1 次故障时仍能向全部飞机用电 负载供电；在发生两次故障后仍能向所有关键任务负载供电；在发生3 次故障 后仍能向所有关键飞行负载供电。这些故障可以发生在同一供电通道的不同部 件上，也可以发生在不同通道的同一部件上，或以上两种方式的组合出现。由 此可见，只有四余度的供电系统才能满足容错供电的要求。为此，e l m c 在配电 系统模型中采用双发供电系统，通讯总线采用双余度方式，控制中心采用多冗 余控制方案。 2 不中断供电要求 飞机供电系统的供电中断时间是指供电系统转换状态中电压处于零和稳态 电压极限值之间的时间。供电系统在中断之后应回到稳态极限之内，频率超差、 过压或欠压、过流等非正常工作状态导致的供电中断可能会造成汇流条转换和 供电恢复时间的延迟，此时应由保护装置控制。不中断供电是对现代飞机供电 的又一新的要求。计算机等设备的应用不允许供电中断。供电中断主要由两个 原因引起，一是电源间转化引起，另一是电网短路等引起。关键飞行负载可按 其对供电中断的敏感度进行分类，它能承受的供电中断时间在5 0us 到2 s 之问。 对关键飞行负载来说，容错供电系统要求供电时间低于单个负载最大允许时 i 训的5 0 ，对正常供电来讲，系统设计时把最大供电中断时间保持在5 0 m s 内， 两北_ r 业火学硕士学位论文多屯飞机电气负载管理中心的研究 这样就能满足大部分负载的要求。当检测到电源脱落后，把负载转换到另一可 供选用的供电电源上，以达到不中断供电的目的。当负载允许的最大供电中断 时问小于5 0 m s 时，一般来说就不能使用这种转换方法。在这种情况下就要使用 真正的不中断电源。e l m c 须选用高速中央处理器，以及采用多任务实时操作系 统，按照飞行管理方式确定任务优先级，以达到实时指标。 3 可靠性性要求 容错供电系统要求，给负载供电的可靠性要比负载本身的可靠性高1 0 0 倍。 由于飞机负载众多，通常将负载分类，然后计算出该类负载的可靠度，即在规 定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。这样只需满足这一类负载的可 靠性指标要求即可。 ( 1 ) 关键飞行负载 因为飞行控制系统是关键飞行系统的最大组成部分，所以关键飞行负载的 可靠性由飞行控制系统的要求来决定。美国军用规范( 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概率为1 0 0 1 0 ，其中：2 5 的飞行控制故障由 液压动力引起，1 2 5 由机械作动系统引起的，6 2 5 由电气控制部件引起的。 电气控制部分至少是一个双同道双余度系统，而单通道的可靠度是双通道双余 度系统可靠度的平方根，该单通道的可靠度即为单个容错供电系统给关键飞行 负载供电的可靠度。 电气控制部件之所以失效，一方面可能是由于电气控制部分自身发生故障。 另一方面可能是因为给电气控制部分供电的电力系统出现的故障。电力系统的 可靠性比其负载的可靠性高1 0 0 倍，此负载就是飞行控制系统中电气控制系统 部分的一个通道。 由以上分析可计算出，对关键飞行负载来说，供电系统的可靠度必须大于 0 9 9 9 9 7 5 2 ，负载才能正常工作。 ( 2 ) 关键任务负载 在飞机上，要使飞机的设计要求符合每个关键任务负载的要求是不可行的。 先进系统航空电子计划要求生存必需的关键任务设备的平均无故障时间为 2 0 0 小时或者不可靠度为1 o 1 0 。 由于关键任务负载出故障原因大多是由于供电系统引起的，因此要求供电 丽北： 业大学硕士学位论文多电。e 机电气负载管理中心的研究 系统给关键任务负载供电的可靠度应为元件可靠度的1 0 0 倍。 经计算，对关键任务负载而言，供电系统可靠度必须大于0 9 9 9 9 0 1 ，关键 任务负载才能正常工作。 ( 3 ) 非关键飞行负载 先进系统航空电子设备工作说明书要求关键任务设备的平均无故障时 间为7 0 小时，或不可靠度为2 8 1 0 。经计算可知，非关键飞行负载供电系 统可靠度必须大于0 9 9 9 7 2 3 ，系统才能正常工作。 2 2 总体方案设计 e l m c 主要包括两部分：配电中心和控制中心，其系统功能如图2 - 1 所示， 配电中心主要模拟飞机配电系统以及供电故障信号。 控制中心是整个系统的核心，通过接收外部总线数据以及负载和汇流条信 号来实时管理负载。 外部负载信号包括s s p c 的状态、故障、控制信号，以及伺服系统状态信号。 汇流条信号是飞机电气系统汇流条上的电压信号以及状态信号。电压信号 包括三个三相交流( 1 1 5 v 4 0 0 h z ) 电压、5 路2 8 v 直流电压、3 路2 7 0 v 直流电 压，状态信号包括两个二极管状态和三个汇流条继电器状态。 1 5 5 3 b 总线是e l m c 与供电系统处理机( p s p ) 的通讯标准，本系统实际采用 r s 4 8 5 总线来代替1 5 5 3 b 总线。 汇流条信号 图2 - 1e l m c 功能框图 9 5 5 3 b 总线 西北i 一业大学硕十学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 2 2 1 配电中心 1 配电中心组成 配电中心由四个配电汇流条构成：一个1 1 5 v 4 0 0 h z 交流汇流条、一个2 8 v 低压直流汇流条、一个2 7 0 v 高压直流汇流条和一个蓄电池汇流条。 2 配电中心布局 两种布局形式如下： ( 1 ) 基本布局 控制中心控制中心控制中心控制中一c 控制中心控制中心控制中心 图2 2 配电中心基本布局 结构如图2 2 所示，直流、交流汇流条由两个主直流汇流条或两个主交流汇 流条通过继电器提供，直流汇流条供电中断时蓄电池作为备份电源为蓄电池汇 流条供电，以满足供电中断要求。采用汇流条选择继电器以便在交流电源或直 流电源间切换，这样就等于为负载又多增加了一个电源输入，增加了系统的容 错能力。蓄电池汇流条与蓄电池和低压直流汇流条之间有两个隔离二级管，通 常情况，低压直流汇流条给蓄电池汇流条供电，当出现故障时，蓄电池给蓄电 池汇流条供电。 ( 2 ) 单通道布局 1 0 流条 西北工业火学硕十学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 结构如图2 3 所示，这种布局和基本布局基本相同，只是省略了一组电源和 用于电源转换的继电器。 交 控制中心控制中心控制中心控制中一c 负载 负载负载负载 图2 - 3 配电中心单通道布局 池汇流条 两种布局的高压汇流条工作方式同低压一致。由容错供电系统分析表明， 基本配电布局采用继电器来切换汇流条更符合冗余要求，并且多增加了一组电 源系统，从而提高了系统的容错性。对于关键负载和关键飞行任务，配电中心 的容错供电显的尤为重要。因此，在此配电布局中，采用基本布局。 2 2 2 控制中心 1 控制中心布局 ( 1 ) 基本布局 结构如图2 - 4 所示，是一个单通道系统，由电源、中央处理器、存储器、 总线接口单元，模拟量输入输出、并行输入输出组成。 数据和地址总线 图2 - 4 控制中心基本布局 察每雾 旧托t 甲 西北工业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 ( 2 ) 双通道布局 结构如图2 5 所示，其结构中包括两个相同的如图2 4 所示的通道，两个 通道的数据总线和地址总线间有一总线连接线。 数据和地址总线 数据和地址总线 图2 - 5 烈通道布局 ( 3 ) 双电源单通道布局 结构如图2 - 6 所示， 数据和地址总线 图2 - 6 双电源单通道布局 通过分析可知，单通道控制中心的可靠度是0 9 9 9 6 3 4 9 1 2 9 ，双通道控制中 心的可靠度为0 9 9 9 9 9 9 8 6 6 7 ，双电源单通道控制中心的可靠度为 o 9 9 9 7 1 4 8 8 0 5 。 以上三种布局都采用内部并行总线方式。基本布局结构简单但可靠度最低： 1 2 西北工业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 单通道布局结构复杂，内部模块繁多，体积庞大，可靠度最高：双电源单通道 增加了一组电源，但系统可靠度增加甚微。按照航电系统智能化，模块化发展 标准，而且本系统当前处于样机研制阶段，考虑以后的扩展和升级，采用如图 2 7 所示的改进后的单通道布局。 - 。_ 。_ _ _ _ 一 lp s pi 电 源 3 堕! 塑璺彗 通讯接口单元l 亟匠 面磊丽函1 伺服系统通讯模块 图2 - 7 改进后的单通道布局 内 部 总 线 图2 7 中除电源外，其它模块均为智能模块，说明如下： ( 1 ) 外部总线为m i l s t d 一1 5 5 3 b ，通讯接口单元和p s p 通过外部总线来交 换数据。 ( 2 ) 通讯接口单元是专用的1 5 5 3 b 通讯端口控制器， ( 3 ) 电力监控模快监控汇流条电压和二极管状态，同时进行汇流条继电器 的监控和切换。 ( 4 ) 每个s s p c 模块可以控制1 2 个s s p c ，而实际系统需要控制1 0 0 个以上， 设计成智能化和标准化易于系统扩展。 ( 5 ) 伺服系统通讯模块与伺服系统通讯以监控伺服电机状态。 ( 6 ) 内部总线可选用c a n 等一些高速短距离总线方式，本系统初期阶段先 采用工控机p c i 0 4 自带的内部并行总线方式。 2 控制中心接口 e l m c 控制中心外部连接如图2 8 所示，配电中心模拟系统模拟飞机配电系 统产生各种信号源以及故障状态，并接收控制中心命令来切换汇流条。s s p c 和 伺服系统均为飞机负载控制系统，控制中心通过它们来管理负载。控制中心和 p s p 通过1 5 5 3 b 总线方式交换飞机电气和负载数据。 西北上业大学项十学位论文多电e 机屯气负载管理中心的研究 配 守 电 由 心 叫e l m c 控制中 模 拟 i ! ! ! ! ll 竺! 系 统 _ 图2 - 8e l m c 控制中心外部连接图 具体接口信号如下 控制中心和配电中心模拟系统接口信号 9 路1 1 5 v 4 0 0 h z 交流、5 路2 8 v 直流、3 路2 7 0 v 直流电压信号 控制中心和p s p 接口信号 参考p c p 与e l m c 通讽协议 控制中心和s s p c 接口信号 s s p c 状态、故障、控制信号； 控制中心和伺服系统接口信号 电机的转速、转向、状态、电流信号： 【 i e 北jj 一业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 第三章e l m c 配电中心的模拟设计 3 1 配电模拟分析 3 1 。1 系统分析 e l m c 主要功能是用来监控飞机二次配电汇流条电压和s s p c 的状态，在软 件的控制下，并以p s p 命令为依据，按照既定的负载控制方程和状态方程，使 固态功率控蛊4 器和转换继电器动作。所以，首先要选择一种满足下一代多电飞 机供电需求的配电系统为控制对象。 由于多电飞机的机载用电设备用电量很高，因而对电源的要求也越来越 高。目前的战斗机主电源容量为6 0 1 2 0 k v a ，大型运输机和干线客机为1 2 0 2 7 0 k r a ，重型轰炸机为2 4 0 4 8 0 k v a ，指挥机可高达1 2 0 0 k r a 。当飞机供电体 制从2 8 v 低压直流电源系统发展成4 0 0 h z 、电压为1 1 5 2 0 0 v 的三相四线制交 流系统后，基本上能适应现代飞机的要求。但是交流供电不易实现不中断供电、 重量较大、效率较低、不适应机电作动装置和多电飞机应用。为了减轻供电系 统重量，需要提高系统工作电压或改变供电体制。 由于2 7 0 v 高压直流电源系统具有可靠性高、简单、易实现不中断供电、 适应多电飞机发展要求等优点，所以选用2 7 0 v 高压直流电源作为飞机供电电 源。在配电方式选择上，常规式配电系统和遥控配电系统已经不能满足多电飞 机要求，故采用全自动配电系统( 固态配电系统) 方案。全自动配电系统的控 制方式取消了众多的离散信号控制线，由计算机通过多路传输数据总线传递控 制信号和状态信息，经s s p c 对用电设备进行控制和保护，由座舱内的综合显 示装置显示系统状态。飞机座舱中不需要设置中心配电装置，用电设备就近与 配电汇流条相连，由s s p c 提供馈电保护功能。总之，以2 7 0 v 高压宜流电源作 为飞机电源的全自动配电系统优于常规式配电系统和遥控式配电系统，它是飞 机电气系统实现综合化控制的基础，当前美国已经将其用于f 一2 2 战斗机。 3 1 2 工作原理 经过系统分析，选定如图3 1 中所示的飞机配电模拟系统。 西北工业大学硕士学位论文多电e 机电气负载管理中心的研究 图3 一l电气综合控制系统 弗堪。l 蹿器掣斜茸姻匠“毒趟啪蟮v筹讲硭日甚 0蚤斟啦辑避。詈嘉羽糨椎鞯戢潜姐-3日。白维戳割螭搿。豆_l蹄盍盏媾崤丁一篁曲蹦螓磊颦一肆羽挝一b。 椎豳蠡晕掣铒。出oo嚣甘整嚣1d 掣挝蒜姗艘制崮 嚣罐u o j。划雌 两北：【：业火学颈十学位论文 多电飞机电气负载管理中心的研究 图中缩写如r l v d c ：高压变速直流发电机；a p u ：辅助电源；b c b ：发电机断路器； b t b ：汇流条断路器；t r u ：整流逆变器；d c d c ：直流变换器： b a t i ：蓄电池；e l m c ：负载管理中心：r t ：远程终端； s ：固态功率控制器；e r t ：e l m c 控制中心；g c u ：发电机控制装置； 图3 - 1 表示了一个完整的分布式电气综合控制系统，系统中各个控制单元 通过1 5 5 3 b 总线连接。供电系统由两台高压直流发电机组成，采用并联方式运 行，同时有辅助电源、蓄电池和地面电源作为应急和地面维修使用。配电系统 分为两级：一次配电和二次配电；每级都是双通道，以下简称左通道和右通道。 1 次配电 主要控制装置有g c u 和r t 。 g c u 监控高压直流发电机状态，通过闭合g c b 来给2 7 0 v 高压直流汇流条供 电。左右通道高压汇流条通过b t b 与辅助电源相连，如果系统发生故障，左右 通道以及辅助电源之间能够相互容错供电，以下低压和交流汇流条类同。 r t 监控一级配电中心的大电流功率控制器、低压和交流汇流条，通过切换 断路器和接触器来给负载或下级系统供电，本控制单元也具有容错功能。 发电机产生2 7 0 v 的直流高压，一方面经逆变器变换成1 1 5 v 4 0 0 h z 的交流 输出，另一方面，经直流变换器转换为2 8 v 低压直流。蓄电池汇流条分别通过 一个隔离二极管连接低压汇流条和蓄电池。正常工作状态下，低压直流汇流条 经二极管为蓄电池汇流条供电，当出现故障时，该二级管截止，蓄电池汇流条 由蓄电池经另外一个二极管供电。 2 二次配电 主要控制装置为e l m c 。 e l m c 监控2 7 0 v 高压直流、1l 5 v 4 0 0 h z 交流、2 8 v 低压直流和蓄电池汇流条， 以及小电流固态功率控制器状态，通过控制继电器以切换左右通道汇流条为负 载容错供电。 1 7 西北工业人学硕十学位论文多电b 机电气负载管理中心的研究 3 2 配电模拟信号设计 按照配电模拟系统理论，飞机二次配电中心由交、直流汇流条和蓄电池汇 流条、转换继电器、s s p c 以及二极管组成。 由于检测系统只采集汇流条电压数据，故可以在不考虑功率的情况下，使 模拟系统的电压信号达到可以模拟配电系统故障和正常状态即可。在此，首先 需要模拟四个信号源：2 7 0 v 直流、1 1 5 v 4 0 0 h z 交流、2 8 v 直流以及蓄电池，然 后需要模拟配电系统运行故障并且能够自动容错和切换汇流条。 3 2 1 信号源的模拟 市电2 2 0 7 5 0 h z 经变频调压装置可以转换为1 1 5 v 4 0 0 h z 信号，本系统初期 采用2 2 0 v 5 0 h z 信号代替1 1 5 v 4 0 0 h z 信号，以验证e l m c 的负载管理功能。 直流信号由市电2 2 0 v 5 0 h z 经变压、整流、滤波、稳压后获得。下面给出 具体电路参数和电路图。 1 电路参数 ( 1 ) 变压器参数 选用副边有三路抽头的变压器，分别为2 7 0 v 、2 8 v 、5 v 电源提供电压，其 中5 v 电源为e l i c 控制中心提供工作电源，其电流大概为1 a 。2 7 0 v 、2 8 v 两路 电流都保持在i 0 0 毫安以内，既可以满足模拟电压信号的效果，又安全可靠。 经计算，变压器功率大概为6 0 w 左右。 ( 2 ) 整流、滤波、稳压电路参数 整流变换选用单相桥式，其优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承 受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载， 电源变压器得到了充分的利用，效率较高。缺点是二极管用的较多，所以选用 整流桥。整流桥参数计算主要有平均电流和反向电压 = 三k 半； = 4 2 v 2 ； 西：j e l 二业人学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 其中：为流过整流桥的平均电流，。为负载电流，为副边电压，r t 为负 载电阻等效值：按照本系统的要求分别得出： 2 7 0 v 信号：厶卜2 5 m a ： _ 3 5 v ； 2 8 v 信号：，d 卜2 5 m a ； _ 3 1 8 2 v ； 5 v 电源：j d 卜5 0 0 m a ； _ 1 0 v ； 为了稳定输出电压，虑除电压中的纹波，采用了滤波电路。本系统采用的 是电容式滤波电路，其优点是电路简单，负载直流电压较高，纹波较小，缺点 是输出特性比较差，所以适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。由于本 系统处于实验阶段，且信号源是为了模拟汇流条的电压，所以本身不需要太大 的精度，用电容滤波电路可以满足系统的要求。电容参数的计算按照如下公式： 一 f = r c ( 3 5 ) ； 2 7 0 v 信号：c 7 4 ；v 3 4 6 5 v ； 2 8 v 信号：c 7 1 4 掣；v 3 5 8 v ： 5 v 电源： c 1 0 # ：v 5 0 v ： 2 电路图 2 7 0 v 电压信号变换电路如图3 2 所示 图3 - 22 7 0 v 电压信号变换电路 2 8 v 电压信号变换电路如图3 3 所示，为了模拟汇流条系统的电压状态变 化，以更精确的检测负载管理中心的精确度和可靠性，该电路中采用l m 3 1 7 调 压模块。 酉北j 二业大学硕士学位论文多电e 机电气负载管理中心的研究 = ， 图3 - 32 8 v 电压信号变换电路 5 v 电源变换电路如图3 - 4 所示，电路中采用了传统的三端稳压器7 8 0 5 。 图3 - 45 v 电源变换电路 以上三图中的交流输入信号v i n 分别来自前述变压器的三路输出。 3 2 2 故障状态的模拟 当配电系统出现故障时，需要切换左右通道汇流条。左右通道包含信号如下： 交流汇流条：三个三相交流汇流条( 1 1 5 v 4 0 0 h z ) 的电压状态，共九路信号。 直流汇流条：三个2 7 0 v 直流高压汇流条和三个2 8 v 直流汇流条以及两个2 8 v 直流蓄电池汇流条电压状态，共八路信号。 为此，每一种电压信号源都需要两个，这两个信号源作为左右通道，经过继 电器切换为汇流条供电。为了简化电路设计，本系统通过手动开关来操作信号 源，分别为左右通道提供信号，以此来模拟两个通道的故障。该方式优点是简 单可靠，缺点是不能进行连续模拟和更细化的状态模拟，对于初期样机系统， 该方式完全可以检测其基本功能。下面给出故障模拟示意图。 故障模拟如图3 - 5 所示，v o u t 代表继电器控制信号。l 代表继电器。k 代表 2 0 西北：l 业大学硕士学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 开关，左和右分别代表给汇流条供电的左右通道。图中只有一路信号源供电， 通过开关k ，将该路信号源与左或者右通道相连，以此来模拟右通道故障或者 左通道故障。当故障发生时，继电器在e l m c 控制下自动切换左右通道，由此可 以验证e l m c 是否能够监控配电系统故障，以及当故障发生时能否进行容错处 理。交流、高压、低压直流和蓄电池信号源的故障模拟都以此方式进行，在此 不再赘述。 + 图3 - 5故障模拟示意图 号源 两北上业大学硕+ 学位论文多电飞机电气负载管理中心的研究 第四章e l m c 控制中心硬件设计 4 1 控制中心硬件结构 控制中心的硬件结构是一个栈式系统，中央处器采用工控机p c i 0 4 ，外围 电路全部以板卡的形式与p c i 0 4 相接，板卡接口为1 0 4 标准总线，它是一种专 门为嵌入式控制系统而定义的工业控制总线结构。依据本论文第二章中所述改 进后的控制中心单通道布局，下面给出控制中心的详细硬件结构，如图4 - 1 所 示。图中细虚线框代表控制中心与信号源以及外部通讯总线接口；粗虚线框代 表控制中心的栈式结构，两个虚线框之间为控制中心与外围系统的接口电路。 图4 - 1 控制中心硬件结构图 控制中心硬件电路可划分为以下几大模块：电源模块，中央处理模块，电 力监控模块，总线通信模块，伺服系统通讯模块，s s p c 接口模块。各模块功能 如下 1 电源模块 为整个控制中心的各子模块提供工作电源。 西北。| 业大学硕士学位论文 多电e 机电气负载管理中心的研究 2 中央处理模块 中央处理模块是整个系统的核心，负责处理系统所有数据和执行软件代码。 3 电力监控模块 监控电力汇流条，包括信号调理电路、数据采集电路、继电器接口电路、二 极管状态检测电路。 4 总线通信模块 主要完成与p s p 之间的通信、应急模式处理、一些开关量的采集和各子模块 任务的调度。通信总线选用通用飞机m i l s t d 一1 5 5 3 b 标准总线，利用b u 一6 1 5 8 0 芯片以变压器直接耦合的方式将c p u 连接到1 5 5 3 b 总线。 5 伺服系统通讯模块 与伺服系统通信以监控伺服电机状态。 6 。s s p c 接口模块 采集s s p c 的状态和跳闸信息并控制s s p c 。专门设计s s p c 接口模块是基于 系统扩展佳的考虑，因为每个e l m c 中含有1 0 0 个左右s s p c ，这样，s s p c 数量 的增减可以通过增减s s p c 接口模块数量来灵活地变化。 4 2 电源模块 为了系统稳定可靠运行，模拟与数字电路采用相互独立的电源。 1 数字电路电源：+ 5 v 一组，+ 1 2 v 一组，一1 2 v 一组。 数字电路所用电源采用一套现成的开关电源模块，其参数为： 输入：交流1 1 5 v o 8 a 或者2 3 0 v 0 4 5 a ； 输出：直流+ 5 v 3 a ，+ 1 2 v i a ，一1 2 v o 5 a 。 2 模拟电路电源：+ 1 2 v 一组。 模拟电路所用电源采用三基公司直焊式微型开关电源模块单路1 5 w 系列中 的m s p s 一1 2 d 3 ，输入：交流1 7 5 - - 2 6 4 v 或2 2 0 3 4 0 v ，输出：1 2 v _ 3 、1 2 a ： 其电路如图4 - 2 所示： 两北工业大学硕士学位论文多电e 机电气负载管理中心的研究 图4 - 2 + 1 2 v 电源电路 实验证明，该电源模块运行稳定可靠，能够满足系统的功能要求。以上所 用电源输入均来自市电2 2 0 v 5 0 h z 。在实际飞机系统中，电源输入来自2 7 0 v 高 压汇流条或2 8 v 低压汇流条，经d c d c 转换为所需的工作电源。 4 3 中央处理模块 e l m c 的中央处理模块选用嵌入式计算机p c i 0 4 ，在系统中它是以主板形式出 现，其它外围电路叠插在系统主板上，整个系统形成一个堆栈式结构。本系统 中选用的主板型号为k w 4 8 6 s v ，下面详细介绍p c i 0 4 结构特点、 0 4 总线标准和 k w 4 8 6 s v 主板特点。 1 p c i 0 4 结构特点 p c i 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线结构。它最早由 p r o l o g 公司于1 9 7 8 年提出。其信号定义和p c a t 基本一致，但电气和机械规 范完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。p c i 0 4 有 以下特点： ( 1 ) 尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3 6 x 3 8 英寸，即9 6 x 9 0 m m 。如图4 - 3 所示。 2 4 西北工业大学硕士学位论文 多电e 机电气负载管理中一l l , 的研究 图4 - 3p c i 0 4 嵌入式系统基本尺寸 ( 2 ) 堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式 层叠连接，即p c i 0 4 总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互 咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性，如图4 - 4 所示： 图4 - 4p c i 0 4 的自栈式结构 ( 3 ) 轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4 m a 总线驱动即可使模块 正常工作，每个模块只有1 2 瓦能耗。 2 1 0 4 总线标准 1 0 4 总线有两个版本，即p c i 0 4 和p c i 0 4 p l u s 。与通常用的p c 机样，一 个p c 机主板可以同时拥有p c a t 和p c i 总线，一个p c i 0 4c p l 3 模块则可以同时 拥有p c i 0 4 和p c i 0 4 p ll i s 总线。 ( 1 ) p c i 0 4 版本 两北f ：业火学硕十学位论文 多电飞机电气负载管理中心的研究 8 位p c i 0 4 共有6 4 个总线管脚( 单列双排插针和插孑l ) ，1 6 位p c i 0 4 有 6 4 + 4 0 = 1 0 4 个总线管脚( 双列双排插针和插孔) ，其有效信号线和控制线完全 与标准计算机的“p c ”和“p c a t ”兼容。 ( 2 ) p c i 0 4 p l u s 版本 p c i 0 4 p