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航空二次电源数字式控制保护器设计浅谈

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《航空兵器》2016年第6期

摘要:作为电源控制保护器,数字式控制保护器能够对二次电源变换器进行实时控制,并为其提供各种保护,所以能够满足二次电源使用的高可靠性和强实时性要求。基于这种认识,文章对航空二次电源数字式控制保护器设计问题展开了分析,以期为关注这一话题的人们提供参考。

关键词:航空;二次电源;数字式控制保护器;设计

在航空领域,飞机供电系统是飞机澳门葡京娱乐网址飞行提供保障的重要系统之一。而随着飞机用电设备的不断增加,飞机二次电源供电的可靠性则在不断降低。设计数字式控制保护器,则能实现二次电源的实时控制,并为其提供保护,从而满足飞机的供电需求。因此,相关人员还应加强数字式控制保护器设计问题的研究,以便实现飞机的高质量供电。

1航空二次电源数字式控制保护器应用需求分析

在飞机上,二次电源变换器的主要作用就是将270V高压直流电转换为28V直流电,从而为飞机上的28V直流用电负载供电。而二次电源变换器的应用具有较高的实时性和可靠性要求,需利用数字式控制保护器为对变换器进行实时控制和保护,以满足飞机的用电需求。具体来讲,就是通过设计数字式控制保护器对直流变换器进行BIT检测、健康预测和性能监控,并适时输出结果以实现变换器的实时控制,同时遵循通信协议要求将变换器工作状态数据发送至上位机,以实现重要数据信息的存储。因此,通过应用数字式控制保护,能够使利用二次电源提供高质量电源的需求得到满足。

2航空二次电源数字式控制保护器的设计研究

2.1硬件设计

在实际进行二次电源数字式控制保护器设计时,需要以TI公司生产的DSP芯片为核心处理器,芯片型号为SMJ320F2812HFGM150。该种芯片的最高主频为150MHz,拥有18K*16bit的RAM空间和128K*16bit的Flash空间。保护器连接的通用外部设备包含鼠标、250GB硬盘和17寸显示器等,并使用了RS485光电转换器通信接口,使用的软件开发语言包含汇编语言和C语言,调试开发环境为CCS3.1。从保护器整体结构上来看,其主要由DSP、外围缓冲电路、存储电路、调理电路等结构构成。这些电路能够独立形成一块PCB板,在变换器左侧板后端安装,与功率电路距离较远,所以能够避免受到过多辐射干扰。保护器电源模块由两只分别为3.8V和1.8V线性电源构成,受监控芯片控制,能够为保护器提供3.3V电源。得到正常供电后,保护器才会进行I/O初始化。此外,保护器上设计有MAX706硬件看门狗电路,能够在保护器出现软件跑飞问题时实现硬件复位。

2.2软件设计

在保护器软件设计上,还要使DSP中的软件能够根据输入量完成计算方法的选择,从而实现周期性运算和结果输出,进而使保护器的实时控制功能得以实现。根据这一思路,需完成五个功能模块设计。首先,应进行初始化模块的设计,以利用该模块进行控制寄存器、初始化中断向量表和GPIO等部分的初始化处理,并实现保护器定时寄存器及所有外部链接设备的初始化。其次,需进行BIT模块设计,利用该模块实现芯片RAM自检、输出电压电流保护通道自检、内部电压输入电流保护通道自检和Flash自检等。再者,应设计故障保护模块,以实现保护器的输出过流保护、输出欠压保护、输出限流、短路保护和过热告警等功能。在此基础上,还要进行通信模块设计,利用模块实现上位机和控制器通信,使控制器通过RS485总线接收上位机控制指令。而采取的控制方式为主从控制方式,主控为虚拟上位机,每隔50ms会进行信号发送。根据标志位,控制器可以决定是否应答该信号,应答时间应不超出5ms。最后,需完成控制器存储模块设计,以实现故障存储。由于软件模块占用性能资源较小,所以能够在20ms内实现初始化,并利用10ms完成自检测,每50ms完成一次通信信息接收和发送,可以进行最近三个故障的前10s工作状态信息存储[3]。由于软件为嵌入在DSP中的软件,所以在上电后会自动加载,而控制保护软件则会进入无限循环中,以便为变换器提供实时保护。

2.3工作流程

从保护器工作流程上来看,飞机在地面时,如果蓄电池处在接通供电状态,控制保护器就会接收到来自飞管系统的数据,然后启动BIT指令。完成指令接收后,保护器将会启动,并完成上次运行记录和数据读取。判定数据记录正常后,保护器将启动功率电路,并根据总线传送的轮载信号完成飞机所处位置判断,同时开始BIT维护工作。在这一过程中,其将完成输入及输出电流和电压平均值的检测,并判断变换器是否存在故障。一旦发现故障,保护器将立即上报故障代码,并完成参数瞬时值和散热器环控温度循环采集,然后通过计算效率、温升、脉动量和控制移相角完成变换器故障的判断。最后,保护器会将分析结果和变量数据传送至上位机。从软件运行角度来看,在保护器软件启动后,保护器在接收到BIT指令后会根据总线传送的轮载信号为BIT工作提供维护,并将结果传回飞机管理系统。完成BIT维护后,保护器将重新回到正常工作澳门葡京娱乐手机版。

在变换器加电或重启后,需先进行初始化模块的执行,并在自检后进入循环保护澳门葡京娱乐手机版。在保护澳门葡京娱乐手机版中,保护器将按照一定要求和顺序完成采样校正函数、故障保护函数和维护BIT函数的调用。在这一过程中,如果出现总线中断问题,当前运行模块将被挂起,保护器会开始执行中断响应模块,通过设置标志位通知循环执行模块完成总线数据的处理。中断返回后,先前挂起的模块将得到恢复,保护器会继续执行之前的程序。而根据解析得到的不同指令,保护器将利用解析指令模块完成控制数据模块和本地时间更新模块的调用。当保护器处在工作澳门葡京娱乐手机版,如果3个轮载信号中有至少2个信号有效,保护器就会进入维护澳门葡京娱乐手机版,并直至维护结束后才恢复为工作澳门葡京娱乐手机版。为防止系统出错,软件每隔10ms就会提供一次喂狗脉冲[5]。如果看门狗在1.6s内未得到脉冲,就会产生输出脉冲使DSP复位,系统则会进入维护澳门葡京娱乐手机版。

2.4调试改进

在进行保护器调试时发现,为变换器提供28V直流电后,再进行270V直流电提供的瞬间,限流电路中的热敏电阻会被烧坏。分析故障产生原因可以发现,提供270V电的一瞬间,DSP将受到干扰,以至于将导致看门狗复位。此时,DSP将提供较高使能信号,但控制预稳压电路已经输出了最大占空比。在这种情况下,270V电压降直接加在热敏电阻两端,从而导致热敏电阻烧毁。针对这一问题,还需进行保护软件程序更改,即将保护器输出设定为低电平有效,确保控制电路在预稳压电路使能信号为低时进行波形输出。在预稳压控制电路供电方面,需利用辅助电源产生的12V直流电供电,以防软件输出不正常。经过改进后再次进行保护器调试,发现保护器并未出现热敏电阻烧坏的问题,可以满足二次电源的实时控制和保护需求。

3结论

通过研究可以发现,在航空二次电源上应用数字式控制保护器,能够使飞机电源系统的可靠性和性能得到提高。相较于模拟电路,设计的数字式控制保护器的重量和体积均比较小,能够满航空领域的需求。因此,相信本文对航空二次电源数字式控制保护器设计问题展开的研究,可以为相关工作的开展带来启示。

参考文献:

[1]吴利华,杨号.飞机数字式供电综合控制管理技术仿真[J].海军航空工程学院学报,2011(1):71-74.

[2]赵振,王真,周星星.一种数字式DC270V过流保护器的设计[J].测控技术,2016(6):149-152+156.

[3]闫稳,王梅,但星亭.数字式外部电源监控器的设计与实现[J].航空科学技术,2010(3):22-24.

[4]王红强,陈达.矿用数字式电动机综合保护器的研究与应用[J].科技传播,2013(17):199+160.

[5]张晓斌.智能低压综合保护器功能与网络应用分析[J].中国石油和化工标准与质量,2011(5):85-86.

[6]陈元栋,曾建辉.三相过电压保护器间隙电流和持续时间的测量[J].电世界,2012(12):46-48.

作者:冯非,董凯,程苏 单位:中航工业西安航空计算技术研究所

航空兵器杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次

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