多電飛機主發(fā)電機供電條件模擬裝置設(shè)計

趙樂笛 錢長林 李亞峰 周潔敏 鄭 罡 /

(南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

0 引言

20世紀90年代后期，美國空軍的多電飛機計劃和歐洲針對民機的完全綜合多電系統(tǒng)計劃都是從飛機整體考慮來探索優(yōu)化飛機的設(shè)計，歐洲從2002年又開始了功率優(yōu)化飛機(Power Optimization Aircraft，以下簡稱POA)計劃[1]，POA計劃的目的就是認識、優(yōu)化并驗證創(chuàng)新性的飛機設(shè)備系統(tǒng)和飛機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時能夠保證設(shè)備的成本和可靠性。

美國、英國、德國等國家的功率電傳作動器相關(guān)技術(shù)研究、實驗、試驗、試飛及應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)進行了很長一段時間。美國空軍和NASA(National Aeronautics and Space Administration，以下簡稱NASA)還制定了專門研制一體化作動系統(tǒng)的EPAD(Electrically Powered Actuation Design，簡稱EPAD)計劃。

國內(nèi)在這方面的研究才剛剛起步，許多工作處于論證階段，多電飛機的研究中有很多工作要做，例如西北工業(yè)大學(xué)對多電飛機電源系統(tǒng)的機內(nèi)診斷方法進行了研究[2]，北航自動化學(xué)院電氣系開展了“多電飛機電力系統(tǒng)的集成仿真研究”等工作[3]。所以，開展“多電飛機發(fā)電機接入電網(wǎng)模擬裝置設(shè)計”對研究多電飛機電氣系統(tǒng)具有一定的意義。

多電飛機要用機上的電能代替機械能、液壓能等[4]，這就需要大功率的發(fā)電機供電。目前面世的多電飛機均具有大功率的發(fā)電機，例如波音787總發(fā)電功率是1 450 kVA。電能的大量使用使得電氣系統(tǒng)作為多電飛機中極其關(guān)鍵的系統(tǒng), 其供電質(zhì)量及可靠性、自動化程度等將影響飛機的整體性能。研究多電飛機發(fā)電機接入電網(wǎng)的條件,并以此為研究對象設(shè)計制作模擬裝置，對研究多電飛機電氣系統(tǒng)具有重要的意義。

1 裝置整體設(shè)計

如圖1所示，圖中左半部分是單獨供電的發(fā)電機向電網(wǎng)供電要同時滿足的五個條件，右半部分是導(dǎo)致發(fā)電機與電網(wǎng)斷開的條件。

圖1 發(fā)電機供電控制條件

其中：

1)GB.S(Generator Breaker Switch，以下簡稱GB.S)即發(fā)電機接觸器，屬于發(fā)電機控制單元(Generator Control Unit，以下簡稱GCU)控制著發(fā)電機與匯流條的接通與斷開,由GCU檢測其驅(qū)動信號，并發(fā)出控制信號控制其通斷。

2)GCR.S(Generator Control Relay Switch，以下簡稱GCR.S)即發(fā)電機勵磁繼電器(Generator Control Relay，以下簡稱GCR)在發(fā)電機勵磁回路中控制著發(fā)電機勵磁電路的通斷，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到建壓轉(zhuǎn)速時，由GCU發(fā)出控制信號接通GCR，控制發(fā)電機電壓。

3)EPC.S(External Power Contactor，以下簡稱EPC)即外電源接觸器，外電源與發(fā)電機不能同時供電，發(fā)電機向電網(wǎng)供電時需要斷開。

4)發(fā)電機在輸出額定功率時從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的范圍稱為轉(zhuǎn)速范圍，這里以多電飛機為研究對象，因目前多電飛機使用的寬變頻發(fā)電機的工作頻率一般為360 Hz～800 Hz，轉(zhuǎn)速為10 800 r/min～24 000 r/min，所以這里取10 800 r/min～24 000 r/min為發(fā)電機的正常轉(zhuǎn)速范圍[5]。

5)發(fā)電機向電網(wǎng)供電時需滿足匯流條無電的條件，否則會出現(xiàn)電網(wǎng)電流反流向發(fā)電機的情況，對發(fā)電機造成一定影響甚至損壞發(fā)電機。

如圖1所示，要使發(fā)電機向電網(wǎng)供電必須接通發(fā)電機勵磁繼電器，使發(fā)電機勵磁。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速正常、匯流條無電時，同時在外電源接觸器已斷開的條件下，發(fā)電機才會向電網(wǎng)輸出電壓。

當同時滿足左半部分五個條件時，發(fā)電機向電網(wǎng)供電，即五個條件是“與”的關(guān)系；當出現(xiàn)右半部分其中一個情況時，發(fā)電機不會向電網(wǎng)供電，即三個條件是“或”的關(guān)系。

依據(jù)以上的邏輯條件，可利用按鈕通斷時的高低電平來模擬GB.S、GCR.S、EPC.S三個開關(guān)的通斷，利用小型直流電動機來提供發(fā)電機轉(zhuǎn)速的模擬，并設(shè)置外接直流電壓源到單片機的AD(Analog-to-Digital，以下簡稱AD)端口，提供模擬的電網(wǎng)電壓值。最后將五個條件采樣到的開關(guān)量或者模擬量送至單片機進行邏輯判斷，同時將各個條件的狀態(tài)及最后判斷結(jié)果顯示在LCD(Liquid Crystal Display，以下簡稱LCD)顯示屏上，以便直觀看到結(jié)果。

2 裝置硬件制作

依據(jù)裝置的整體設(shè)計思路，使用Altium Designer電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計硬件電路，包括單片機的最小系統(tǒng)模塊、LCD顯示模塊及條件設(shè)置模塊。各個模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 硬件電路模塊間關(guān)系

2.1 C8051F310單片機

這里選用的C8051F310型號單片機具有高速的CIP-51內(nèi)核，全速、非侵入式的片內(nèi)系統(tǒng)調(diào)試接口，可編程高精度的24.5 MHz內(nèi)部振蕩器，可以做到獨立工作的片上系統(tǒng)，其16 kB的可編程FLASH存儲器具有系統(tǒng)重新編程能力，可用于存儲非易失性數(shù)據(jù)[6]，用戶利用軟件可控制其所有外設(shè)。

單片機的最小系統(tǒng)是單片機正常工作的保證，包括復(fù)位部分、電源部分以及振蕩部分，這里振蕩部分在軟件中實現(xiàn)，采用內(nèi)部振蕩器[7]；復(fù)位部分和電源部分由硬件實現(xiàn)，復(fù)位部分由C2口實現(xiàn)，在完成一次程序下載以后會完成系統(tǒng)的復(fù)位，在電源接通后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作；電源部分由三端穩(wěn)壓集成電路實現(xiàn)，將外部輸入的15 V直流電轉(zhuǎn)逐步轉(zhuǎn)換成5 V、3.3 V直流電壓，分別為LCD和單片機提供工作電壓。

2.2 LCD顯示模塊

采用12864液晶顯示屏來顯示五個條件的狀態(tài)及結(jié)果。其內(nèi)置的字庫包含有8 192個中文漢字和128個ASCII字符集，利用LCD液晶模塊顯示文字或圖形關(guān)鍵是要確定該緩沖區(qū)的存儲單元與液晶屏面上像素的對應(yīng)關(guān)系，將某個存儲單元中的該位置設(shè)為“1”后，可將該存儲單元對應(yīng)的液晶屏上的像素點亮顯示出來。

液晶模塊的顯示程序?qū)嶋H是ST7920的驅(qū)動程序，并且由于ST7920中包含有字庫，因此顯示程序只需通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送指令數(shù)據(jù)[8]。ST7920中可提供系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)寄存器(Data Register)、地址計數(shù)器(Address Counter)以及LCD驅(qū)動電路等基本功能或模塊，通過指令對功能模塊進行控制。

2.3 條件設(shè)置模塊

此模塊包括對五個條件的人工設(shè)置，用來模擬發(fā)電機向電網(wǎng)供電時的不同狀態(tài)。主要包括三個部分：按鈕部分、電壓測量部分及電動機轉(zhuǎn)速部分。

2.3.1 按鈕部分

此處設(shè)置三個按鈕，分別模擬GB.S、GCR.S和EPC.S，三個按鈕一端分別連接到單片機的I/O端口，一端連接到地端，通過單片機對I/O端口電平高低的讀取來判斷按鈕的通斷。

2.3.2 電壓測量部分

單片機的AD端口通過軟件選擇為P2.5口，將P2.5口通過電位計接外接直流電壓源，外接直流電壓源模擬電網(wǎng)電壓，調(diào)節(jié)電阻器可改變單片機AD端口的電壓，因在硬件電路中會存在電路板內(nèi)部電阻，所以當AD端口的電壓小于50 mV時，近似認為AD端口電壓為零，即認為滿足匯流條無電的條件。

2.3.3 電動機部分

利用直流電動機的轉(zhuǎn)速模擬發(fā)電機轉(zhuǎn)速，由單片機的P3.1端口輸出占空比可調(diào)的PWM波調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，占空比由設(shè)置的加減速控制按鈕即SPEEDUP、SPEEDDOWN控制，可在程序中實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速控制。

3 裝置軟件編程

根據(jù)裝置的功能及硬件電路的模塊功能，利用silicon labs開發(fā)環(huán)境進行軟件程序編寫，在編寫程序時要注意保證軟件系統(tǒng)的可靠性，如通過設(shè)計看門狗定時器來對系統(tǒng)進行定時診斷；注意跟硬件電路保持一致協(xié)調(diào)性，當硬件和軟件同時可以實現(xiàn)時，選擇采用軟件實現(xiàn)，如為系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)部振蕩器，這樣可減少硬件電路的費用以及保證振蕩的穩(wěn)定。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，這里采用將程序模塊化的方法，按照系統(tǒng)功能將程序分為相應(yīng)的子程序，每個子程序都可以在調(diào)試時進行更改糾錯而不影響其他部分，最后將各個子程序綜合起來進行聯(lián)調(diào)，這樣可減少調(diào)試時間，方便發(fā)現(xiàn)錯誤、糾正錯誤。根據(jù)裝置的功能，軟件包括單片機初始化子程序、LCD顯示子程序、電壓值測量子程序、開關(guān)測量子程序、電動機轉(zhuǎn)速測量子程序及主程序。

3.1 單片機初始化

單片機的初始化包括對單片機內(nèi)部振蕩、定時器、ADC0寄存器、端口I/O以及中斷的初始化。

單片機包含可編程內(nèi)部振蕩器，該振蕩器在復(fù)位后默認為系統(tǒng)時鐘，其周期可通過OSCICL(內(nèi)部振蕩器校準寄存器)改變，通過OSCICL的IFCN位(內(nèi)部振蕩器頻率控制位)設(shè)定分頻數(shù)，內(nèi)部振蕩器在出廠時被校準為24.5 MHz，分頻數(shù)可設(shè)定為1、2、4或8[9]，本系統(tǒng)采用的是24.5 MHz/2，即分頻數(shù)為2，晶振頻率為12.25 MHz。

端口I/O初始化包括通過設(shè)置端口輸入/出方式寄存器(PnMDIN/PnMDOUT)設(shè)置端口引腳的輸入/出方式，以及設(shè)置端口跳過寄存器(PnSKIP)設(shè)置被交叉開關(guān)跳過的引腳，最后將引腳分配至外設(shè)。

ADC0寄存器初始化用來設(shè)置定時器3溢出啟動ADC0轉(zhuǎn)換，正負輸入通道的選擇，以及將SAR時鐘(逐位比較時鐘)設(shè)置為3 MHz，最后是使能ADC0。

中斷的初始化需要設(shè)置中斷允許寄存器IE，設(shè)置中斷允許位，開放所需要的中斷。

定時器的初始化主要是設(shè)置各個定時器控制寄存器、定時器方式寄存器以及時鐘控制寄存器等，這里分別對定時器0、定時器1、定時器2、定時器3進行了設(shè)置，以便后面的應(yīng)用。

3.2 LCD顯示

LCD顯示內(nèi)容包括啟動圖形的顯示和操作過程中的狀態(tài)顯示，其指令操作內(nèi)容包括清除數(shù)據(jù)隨機儲存器(Display Data RAM，簡稱DDRAM)、初始化LCD、檢查忙碌狀態(tài)、寫數(shù)據(jù)/指令。

初始化LCD包括功能設(shè)定、位址歸位、設(shè)置光標移動方向、開顯示關(guān)游標。在LCD接收指令前，必須先確認模塊內(nèi)部是否處于忙碌狀態(tài)，即讀取BF標志的狀態(tài)是否為“0”，若BF標志為“0”，可進行接收下一步指令；如果在執(zhí)行一個指令前沒有讀取BF標志，則可以等待前一個指令一段較長的時間后，確保之前一個指令完成后執(zhí)行。

寫數(shù)據(jù)/指令通過設(shè)置RS(寄存器選擇位)和RW(讀/寫控制位)的狀態(tài)來決定讀寫模式，當RS與RW均為低電平時，可寫指令到指令寄存器；當RS為低電平，RW為高電平時，可讀出忙碌標志位(BF)的狀態(tài)；當RS為高電平，RW為低電平時，可寫數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器；當RS和RW均為高電平時，可從數(shù)寄存器讀出數(shù)據(jù)。因此可通過將RS和RW設(shè)置為低電平，完成上述寫指令的操作；將RS置為高電平，RW置為低電平，完成將啟動圖形的數(shù)據(jù)、五個狀態(tài)量的數(shù)據(jù)及邏輯判斷的結(jié)果數(shù)據(jù)寫入顯示屏的操作；將RS置為低電平，RW置為高電平，完成在寫數(shù)據(jù)/指令前的讀取忙碌狀態(tài)(BF)的操作。

3.3 電壓值測量

通過在初始化子程序中對ADC0(10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的初始化，AD的正輸入選擇通道為P2.5口，負輸入選擇通道為GND，啟動轉(zhuǎn)換方式設(shè)置為定時器3溢出啟動，所以在每次定時器3溢出時單片機將P2.5口的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，顯示在LCD上。

3.4 開關(guān)測量

開關(guān)測量包括對GB.S、GCR.S和EPC.S三個按鈕的電平值進行檢測，通過定時器2作為開關(guān)測量的定時器，每200 ms時會對三個按鈕的電平狀態(tài)進行一次檢測，低電平表示按鈕按下，即開關(guān)接通；高電平表示按鈕未按下，即開關(guān)斷開，并將其狀態(tài)值返回主函數(shù)。

3.5 電動機轉(zhuǎn)速測量

利用定時器0溢出中斷實現(xiàn)PWM輸出，首先設(shè)定計數(shù)值count和高電平時間t,定時器0每溢出一次，count數(shù)值加1，當countt時，P3.1端口輸出低電平，直到count=T(周期50 ms)時，count值清零，如圖3所示，占空比D為t/T。SPEEDUP、SPEEDDOWN按鈕通過改變t的值改變PWM波形的占空比，從而改變電動機電壓，進而改變電動機轉(zhuǎn)速。

圖3 PWM波形

3.6 主程序

在主函數(shù)中將三個按鈕的狀態(tài)返回值、電壓值及電動機轉(zhuǎn)速的狀態(tài)返回值進行邏輯運算，當滿足上文所述發(fā)電機向電網(wǎng)供電的邏輯關(guān)系時，即GB.S按鈕按下、GCR.S按鈕按下、EPC.S按鈕未按下、電壓值小于50 mV及電動機轉(zhuǎn)速在10 800 r/min～24 000 r/min范圍內(nèi)時，則說明滿足發(fā)電機向電網(wǎng)供電的條件；而當GB.S按鈕未接通，或者GCR.S按鈕未接通，或者EPC.S按鈕接通時，使得滿足發(fā)電機不向外供電的條件，導(dǎo)致發(fā)電機不向電網(wǎng)供電。

主函數(shù)流程如圖4所示，首先對單片機進行初始化，使其能夠正常工作，初始化完成以后，在LCD液晶顯示屏上顯示開機啟動圖形，同時單片機會對五個狀態(tài)量進行檢測，并顯示在LCD上。

圖4 主函數(shù)流程圖

在操作者任意改變了裝置的五個狀態(tài)量時，單片機端口的狀態(tài)隨之發(fā)生改變，在進行邏輯判斷以后，操作者對電路的操作情況會顯示在LCD液晶顯示屏上，同時是否符合發(fā)電機向電網(wǎng)供電的條件及最后結(jié)果將顯示出來。

4 裝置整體測試

硬件電路及編程均完成以后，通過適配器將單片機的C2口鏈接到計算機，并將HEX文件下載到單片機，即可進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。準備工作做好以后，可進行結(jié)果驗證，具體操作過程如下：

1)打開電源模塊開關(guān)，使裝置開始工作；

2)將外接直流電壓源開關(guān)打開，調(diào)節(jié)電阻器使電壓值小于50 mV；

3)將GB.S開關(guān)按下；

4)將GCR.S開關(guān)按下；

5)將EPC.S開關(guān)置于未按下狀態(tài)；

6)調(diào)節(jié)SPEEDUP和SPEEDDOWN按鈕調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速至10 800 r/min～24 000 r/min范圍內(nèi)；

7)觀察LCD上顯示的狀態(tài)；

8)通過控制變量法分別改變?nèi)齻€按鈕的狀態(tài)，觀察LCD上顯示結(jié)果。

最后測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示，該裝置可以模擬檢測發(fā)電機向電網(wǎng)供電時需滿足的條件狀態(tài)量，對其進行邏輯運算，并將檢測結(jié)果顯示在LCD，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置設(shè)計的功能和初衷。

5 結(jié)論

1)應(yīng)用易于操作的單片機編程來對飛機發(fā)電機向電網(wǎng)供電的邏輯控制關(guān)系進行模擬，研究發(fā)電機供電的邏輯條件，對研究多電飛機的電源系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

2)實驗結(jié)果表明該裝置可實現(xiàn)對控制發(fā)電機向電網(wǎng)供電的條件的模擬，并進行邏輯判斷，最后將結(jié)果顯示出來，便于操作人員的直觀判斷和后續(xù)操作。