一種基于容錯的ELMC控制系統(tǒng)設(shè)計

單河坤 袁旺 張志林 錢燕娟

摘 ?要：飛機電氣負載管理中心（ELMC）是執(zhí)行飛機用電負載通斷和狀態(tài)采集的核心部件，由于飛機負載特性復(fù)雜、重要度高，為提高飛機配電系統(tǒng)的可靠性，解決單點故障引起的飛機負載無法正常工作，避免一旦發(fā)生故障就導(dǎo)致ELMC所有控制負載均失去控制的情況發(fā)生，設(shè)計了一種基于容錯的飛機電氣負載管理中心控制系統(tǒng)，從供電容錯、通信容錯、SSPC控制容錯等方面研究ELMC控制系統(tǒng)的容錯設(shè)計，提高了飛機配電系統(tǒng)的可用度。

關(guān)鍵詞：電氣負載管理中心;固態(tài)功率控制器;容錯

中圖分類號：V242????文獻標(biāo)識碼：A ???文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

隨著飛機性能的日益提高，國內(nèi)新一代飛機已逐步實現(xiàn)多電化，并向全電化方向發(fā)展^[1]。飛機全電化對配電系統(tǒng)的性能及可靠性要求越來越高，通過采用 ???分布式固態(tài)配電裝置，實現(xiàn)了就近分布式配電、負載自動管理以及故障隔離，搭建了飛機電氣系統(tǒng)的綜合控制和管理，提高了飛機配電系統(tǒng)的容錯能力和可靠性。本文主要研究飛機電氣負載管理中心的容錯控制系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的繼電器和斷路器相比，基于固態(tài)功率控制器的電氣負載管理中心具有無觸點、無電弧、無噪聲、響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)點，但為了提高產(chǎn)品的任務(wù)可靠性，避免單點故障引起的電氣負載管理中心崩潰，從而導(dǎo)致飛機負載無法正常工作，設(shè)計了基于容錯的控制系統(tǒng)，本文從供電容錯、通信容錯、SSPC控制容錯等方面研究ELMC控制系統(tǒng)的容錯設(shè)計。

1總體方案

一個基于容錯的電氣綜合管理中心由電源板、主控板、SSPC板組成。電源板主要實現(xiàn)信號隔離防雷、電源隔離轉(zhuǎn)換，向產(chǎn)品內(nèi)部各功能模塊提高余度電源;主控板完成外部通信的收發(fā)及處理，并與內(nèi)部SSPC板進行通信交聯(lián);SSPC板包括多路高密度數(shù)字式直流SSPC通道以及控制部分。其功能架構(gòu)框圖如圖1所示。

如圖1所示，為避免單點故障引起的系統(tǒng)任務(wù)可靠性降低，基于容錯的ELMC控制系統(tǒng)采用雙路電源模塊實現(xiàn)供電容錯設(shè)計;外部總線采用GJB289A和ARINC825雙余度設(shè)計，確保與飛控計算機保持通信;主控板與各SSPC板通信的內(nèi)部總線采用CAN和RS485互為余度設(shè)計;此外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雙路外部總線或雙路內(nèi)部總線失效等嚴重故障時，飛控系統(tǒng)能通過硬線控制信號直接控制SSPC通道，做到SSPC控制余度，保證飛機飛行安全^[2]。

2供電容錯設(shè)計

2.1主電源供電容錯設(shè)計

如圖2所示，28V匯流條1經(jīng)過雷電防護處理、濾波、DC/DC轉(zhuǎn)換電路后生成內(nèi)部電源5V1;同樣28V匯流條2經(jīng)過處理后生成內(nèi)部電源5V2。5V1和5V2經(jīng)過“或”處理模塊后再利用保險絲隔離輸出給不同的功能電路模塊，如圖中5VA、5VB、5VC、5VD所示，給產(chǎn)品各個不同的功能電路模塊供電，任一功能電路的電源故障不會影響其他功能電路，保證各功能電路模塊的供電相互獨立，實現(xiàn)內(nèi)部電源的供電隔離容錯設(shè)計，保證了內(nèi)部電源不存在單點故障。

此外，從圖2中可以看出，內(nèi)部兩路5V電源的硬件電路物理隔離，任一路5V電源的故障不影響另一路電源的正常工作，從而保證任一路外部28V匯流條電源輸入時ELMC均能正常通訊，并且與其對應(yīng)的SSPC通道能被正?？刂婆潆娸敵?，實現(xiàn)了外部28V匯流條供電容錯的設(shè)計，保證了外部電源不存在單點故障。

2.2 SSPC供電容錯設(shè)計

固態(tài)功率控制器（SSPC）是ELMC系統(tǒng)的核心部件，是執(zhí)行飛機各個負載通斷控制的關(guān)鍵機構(gòu)，因此SSPC的供電需具備容錯隔離功能。

如圖3所示，各個SSPC通道的5V輸入經(jīng)過電源隔離模塊隔離后再轉(zhuǎn)換成SSPC通道控制電路需要各類內(nèi)部電源。各SSPC模塊采用隔離供電，可以保證各個SSPC通道之間相互獨立。同時，隔離電源隔離模塊具有短路保護功能，當(dāng)輸出端電路短路時，電源隔離模塊自動關(guān)斷電源輸出，不會影響前端輸入的5V電源。所以單個SSPC的故障不會引起其它通道故障，故障不會擴大化，實現(xiàn)容錯隔離功能。

3通信容錯設(shè)計

如圖4所示，與飛控計算機通訊的外部雙余度總線采用GJB289A和ARINC825非相似雙余度總線，飛控計算機通過GJB289A總線與處理器1通信，通過 ARINC825總線與處理器2通信，兩路總線采用獨立的接口處理，獨立的處理器實現(xiàn)指令解析，任一路通訊失效，不影響指令、信息的傳輸。

產(chǎn)品內(nèi)部采用CAN和RS485雙余度內(nèi)部總線架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，SSPC板處理器DSP通過CAN總線與主控板處理器交聯(lián)，SSPC管理模塊CPLD通過RS485與主控板交聯(lián)。當(dāng)SSPC板處理器DSP或CAN總線故障時，仍可由CPLD通過RS485通訊上報負載開關(guān)狀態(tài)。RS485通信作為CAN通信的熱備份，當(dāng)SSPC管理模塊失效或CAN總線失效時，仍能通過CPLD將SSPC控制模塊狀態(tài)上報給主控模塊。

4 SSPC控制容錯設(shè)計

4.1 SSPC通道余度設(shè)計

針對機上重要關(guān)鍵類負載，采用雙余度SSPC通道進行“或”輸入處理后控制同一重要負載，如圖5所示，兩個SSPC通道分配在不同的SSPC板卡，輸出用不同電連接器，避免產(chǎn)品單個器件失效導(dǎo)致飛機重要負載掉電，從而影響飛行安全。

4.2 控制方式余度設(shè)計

應(yīng)急控制信號經(jīng)過調(diào)理后直接接入SSPC模塊，即使產(chǎn)品所有外部總線失效或者主控模塊雙CPU故障，系統(tǒng)仍能通過應(yīng)急控制信號操控負載通斷。另外，進入各SSPC模塊的應(yīng)急控制信號均做相應(yīng)隔離處理，避免一處信號短路影響其他模塊正常工作。

5結(jié)語

為解決飛機配電系統(tǒng)中單點故障引起的配電系統(tǒng)癱瘓，提高飛機配電系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計了一種基于容錯的飛機電氣負載管理中心控制系統(tǒng)，從供電容錯、通信容錯、SSPC控制容錯等方面研究ELMC控制系統(tǒng)的容錯設(shè)計，其實質(zhì)是利用多余的資源來換取整機任務(wù)可靠性的提高，確保在系統(tǒng)出現(xiàn)一個故障時，通過自動檢測與診斷，自動隔離故障子系統(tǒng)，并切換到其備份子系統(tǒng)，保持系統(tǒng)繼續(xù)正常運行，使系統(tǒng)達到“一次故障安全”的可靠等級，提高了飛機配電系統(tǒng)的可用度。

參考文獻

吳秀杰，江鵬，楊彬彬，等.基于多電飛機概念下的飛機電氣發(fā)展方向[J].電子世界，2014，13（2）：01-01.

萬波，吳偉固.飛機固態(tài)二次配電裝置SPDA的余度設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（20）：128-131.

收稿日期：2019-06-27

作者簡介：單河坤（1986—），男，漢族，江蘇如東人，碩士，工程師，研究方向：固態(tài)功率控制器的應(yīng)用;袁旺（1966—），男，漢族，上海人，本科，研究員，研究方向：飛機電氣系統(tǒng);張志林（1982—），男，漢族，江蘇如皋人，碩士，高級工程師，研究方向：飛機智能配電系統(tǒng);錢燕娟（1982—），女，漢族，江蘇江陰人，碩士，高級工程師，研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)。