尤其用在航空器中的用于控制至少一个开关装置的系统和方法
技术领域
本发明的技术领域涉及配电系统的控制领域,尤其涉及这种配电系统的安全控制领域。
本发明涉及用于控制和保护电力电子器件的集中式架构的使用,所述电力电子器件的功能为用来静态或动态地转换电能。
背景技术
使用基于半导体的组件的静态配电功能(器件)被称为固态功率控制器(SSPC)。这些功能(器件)在SSPC通道和SSPC板之间分配。
SSPC通道被用于,根据来自连接到航空器电子设备的控制装置的逻辑信号,将电能分配给航空器负载。SSPC通道还被用于保护将电能传输到航空器负载的线路。“航空器负载”的表述可被理解为电力设备的、消耗接收到的功率的部件。由于传输的中功率(mediumpower),SSPC板根据对配电线路的保护对SSPC通道进行补充,且通常被并入到二次配电系统。
另外,由于每条供电线路传输的中功率,多个SSPC通道可被聚集在一起并由一个SSPC板控制。
每个SSPC通道首先包括开关装置,该开关装置接通或断开电源和负载之间的连接。开关装置包括一个或多个基于半导体的开关或晶体管,特别是JFET(结型场效应晶体管,MOSFET(金属氧化物场效应晶体管),IGBT(绝缘栅双极晶体管),双极晶体管或晶体闸流管等。这些半导体器件的制造工艺可以是特定于所使用的材料,这些材料具体可以为硅(Si),碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)。为了允许故障(特别是过流、短路或电弧出现)被检测,开关装置与一个或多个传感器关联,特别是与电流传感器和电压传感器关联,上述故障是与标称为运行(operating)的情况相对。
SSPC板动态地控制和配置SSPC通道的多个方面,特别是通道的额定电流(参见线路在正常运行中的电流)、各个内置保护功能的激活或非激活,以及场归零的能力,其中,归零指示了由于出现故障,SSPC通道已被控制打开。出于这些原因,且由于管理SSPC板运行状况的某些保护规则的复杂性,后者经常被微控制器控制。在用户的选择下,微控制器可以相对于其电子器件的电气接地被参照(reference),即对于电源总线的电平,微控制器因此必须与SSPC板的低电平功能(器件)隔离。在这种情况下,架构被称为隔离。如果不是,则微控制器可关于SSPC板的低电平功能(器件)的电气接地被参照。这种情况下架构被称为非隔离。
SSPC板包括被称为低电平功能(器件)的主功能(器件),它们的一些示例在以下列出。
一般的供电功能允许电能被供应到板的电子功能(器件)以及允许管理的透明时间。
与外部通信的功能通过用于与离散信号连接的块(block)(允许SSPC通道被控制、引脚编程被实施和信息被返回)和通信网关被执行,通信网关允许通过数字数据总线将信息,如控制、监测和BITE(内置测试设备)信息,与SSPC通道进行交换。
测量功能允许SSPC通道中流动的电流,以及开关装置的电压和温度被确定。
用于限制泄漏电流的功能允许补偿开关装置的泄漏电流。
同样地,以下是由每个SSPC通道实施的主功能:
——低电压电源,用于产生以下功能(器件)的供应电压:
——控制SSPC的电子器件;
——用于快速短路检测的电子器件;
——用于钳位(clamp)短路故障的电子器件;以及
——电压和电流测量功能(器件)。
管理SSPC通道的保护的微控制器,可被连接到通信网关或直接耦合到航空器通信总线。出于实用性原因,SSPC通道通常连接到至少两个控制装置。如图1所示,所采用的架构,不管是隔离的还是非隔离的,通常每个SSPC通道使用一个微控制器。
图1示出了各种可能的电隔离(isolation)(装置)。第一隔离装置(3,3b,3n)可在通信网关和微控制器(1,1b,1n)之间。第二隔离装置(5,5b,5n)可在微控制器和SSPC通道(2,2b,2n)之间。在隔离架构的情况下,实施第一隔离(3,3b,3n),而不实施第二隔离(5,5b,5n)。在非隔离架构的情况下,使用第二隔离装置(5,5b,5n),而不使用第一隔离(3,3b,3n)。
图2和3示出用于SSPC通道的控制/保护的隔离架构和非隔离架构。
图2示出了设置在微控制器1上游的电隔离3,微控制器1的输出直接连接到用于控制的各种装置(6,7,8)和用于监测SSPC通道的装置9,特别是开关装置5。内部功率通过直流/直流(DC/DC)转换器10传输,实现将隔离区域12与非隔离区域13分离的电隔离11。
图3示出了设置在微控制器1下游的电隔离(装置)4,电隔离装置4在到用于控制的各种装置(6,7,8)和监测SSPC通道的装置9的连接之前,特别是在到开关装置5的连接之前。但是,测量装置9b将微控制器1直接连接到由开关装置5控制的配电线路。
内部功率通过DC/DC转换器10传输,实现了将隔离区域12与非隔离区域13分离的电隔离(装置)11。
如图1所示的架构具有多个缺点。
SSPC通道的数量越多,则被保护功能器件占用的区域越大,一个SSPC通道对应一个专用于线路保护的微控制器的使用。这种组件的倍增伴随有成本、耗散功率、和实际占地区域的增加,以致不利于这些特有(very)SSPC通道的功率部分的可用有效区域。
此外,SSPC通道的数量越多,SSPC板的故障前平均时间(MTBF)越短,微控制器和它的外围设备作为电路板的MTBF价值的实质贡献者。
另一缺点为存在这样的需要:除了那些确保线路保护的微控制器之外,还需要使用专用于通信功能的额外微控制器。这些额外的微控制器的存在伴随有与SSPC通道交换的信号数量的增加,因此增加了路由的复杂性。另一种替代选择在于将SSPC通道的微控制器直接耦合到总线。
SSPC通道的数量越多,则被保护功能器件占用的区域越大,一个SSPC通道对应一个专用于线路保护的微控制器的使用。这种组件的倍增伴随有成本、耗散功率、和实际占地区域的增加,以致不利于这些特有(very)SSPC通道的功率部分的可用有效区域。
此外,SSPC通道的数量越多,SSPC板的故障前平均时间(MTBF)越短,微控制器和它的外围设备作为电路板的MTBF价值的实质贡献者。
另一缺点为存在这样的需要:除了那些确保线路保护的微控制器之外,还需要使用专用于通信功能的额外微控制器。这些额外的微控制器的存在伴随有与SSPC通道交换的信号数量的增加,因此增加了路由的复杂性。另一种替代选择在于将SSPC通道的微控制器直接耦合到总线。
遗憾地是,每条总线的参与者的数量增加,会增加数据总线的饱和风险和增加总线上的损耗率。
增加微处理器的数量也会使与SSPC板的通信网关的通信管理复杂。具体地,连续处理从通信网关到管理SSPC通道保护的微控制器的控制指令的传输是不可能的,除非在SSPC版的反应性上设置约束。
在三相构造中,有必要三个微控制器与给定的要连接的三相组关联;具体地,当SSPC线路的一个线路上出现故障时,通常的规范要求为所有的三个线路断开。这种要求是指,在多个微控制器被使用的情况下,要么微控制器必须彼此通信,要么微控制器必须与公共网关通信。
需要一种用于控制开关装置的系统和方法,以相对于现有技术,用较少数量的组件实现安全和有效的控制。
发明内容
本发明的主题是尤其用在航空器中的系统,所述系统用于控制至少一个开关装置以及控制用于测量供电通道状态的装置,所述开关装置能够接通或断开至少一个电源和至少一个被供电装置之间的连接。所述系统包括:至少两个微控制器,每个微控制器能够发出用于供电通道的每个开关装置的指令,所述微控制器连接到所述用于测量供电通道状态的装置的至少一个部分;以及用于确定待传输指令的装置,所述确定待传输指令的装置能够由从每个微控制器发出且用于所述开关装置的指令,确定待传输到每个开关装置的指令。
所述用于确定待传输指令的装置可包括三个输入,所述三个输入携带来自三个微控制器的指令信号;携带第一微控制器的指令信号的输入连接到非(NOT)逻辑门;携带第二微控制器的指令信号的输入和携带第三微控制器的指令信号的输入连接到第一与(AND)逻辑门;所述非逻辑门和所述第一与逻辑门连接到第二与逻辑门;携带所述第二微控制器的指令信号的输入和携带所述第三微控制器的指令信号的输入连接到第一或(OR)逻辑门;携带所述第一微控制器的指令信号的输入和所述第一或逻辑门连接到第三与逻辑门;所述第二与逻辑门和所述第三与逻辑门连接到第二或逻辑门;所述第二或逻辑门的输出连接到所述用于确定待传输指令的装置的输出。
所述用于确定待传输指令的装置可包括四个输入,所述四个输入成对连接到两个微控制器;所述四个输入携带两个指令信号和两个有效信号,每个指令信号来自一个微控制器,每个有效信号也来自一个微控制器;第二微控制器确保第一微控制器的冗余;携带所述第一微控制器的指令信号的输入和携带所述第一微控制器的有效信号的输入连接到第一与非(NAND)逻辑门;
携带所述第二微控制器的指令信号的输入和携带所述第二微控制器的有效信号的输入连接到第二与非逻辑门;携带所述第一微控制器的有效信号的输入和所述第二与非逻辑门连接到或逻辑门;
所述第一与非逻辑门和所述或逻辑门连接到第三与非逻辑门,所述第三与非逻辑门的输出连接到所述用于确定待传输指令的装置的输出。
所述用于确定待传输指令的装置包括四个输入,所述四个输入成对连接到两个微控制器,所述四个输入携带两个指令信号和两个有效信号,每个所述指令信号来自一个微控制器,每个所述有效信号也来自一个微控制器;第二微控制器确保第一微控制器的冗余;携带所述第一微控制器的指令信号的输入和携带所述第一微控制器的有效信号的输入连接到第一与非逻辑门;
携带所述第二微控制器的指令信号的输入和携带所述第二微控制器的有效信号的输入连接到第二与非逻辑门;
携带所述第一微控制器的有效信号的输入和所述第二与非逻辑门连接到第一或逻辑门;
所述第一与非逻辑门和所述第一或逻辑门连接到第三与非逻辑门;
携带所述第一微控制器的指令信号的输入和携带所述第二微控制器的指令信号的输入连接到第二异或(exclusiveOR)逻辑门;
携带所述第一微控制器的有效信号的输入和携带所述第二微控制器的有效信号的输入连接到第四与逻辑门;
所述第二异或逻辑门和所述第四与逻辑门连接到第五与逻辑门;
所述第三与非逻辑门和所述第五与逻辑门连接到第六与非逻辑门,且所述第三与非逻辑门连接到非逻辑门;
所述非逻辑门和所述第五与逻辑门连接到第七与非逻辑门;
所述第六与非逻辑门连接到第八与非逻辑门的第一输入;
所述第七与非逻辑门连接到第九与非逻辑门的第二输入,所述第九与非逻辑门的输出连接到所述第八与非逻辑门的第二输入,所述第八与非逻辑门的输出连接到所述第九与非逻辑门的第一输入;
所述第八与非逻辑门的输出还连接到所述用于确定待传输指令的装置的输出。
本发明的另一主题是如上描述的系统和其变型在航空器的配电系统中的使用,所述航空器的配电系统包括至少一个供电通道,所述供电通道包括至少一个开关装置。
此外,本发明的另一主题是一种尤其用在航空器中的方法,所述方法用于通过控制系统控制开关装置,所述开关装置能够接通或断开至少一个电源和至少一个被供电装置之间的连接,所述控制系统包括:用于测量所述连接的状态的装置;以及至少两个微控制器,每个所述微控制器能够发出用于每个开关装置的指令,所述微控制器连接到所述用于测量所述连接的状态的装置的至少一个部分。
所述方法包括步骤:传输到每个开关装置的指令由从所述微控制器发出且用于每个开关装置的指令确定。
与从大多数微控制器接收的指令对应的指令作为输出被传输,所述控制系统包括大于三个微控制器(1a,1b,1c)的奇数个微控制器。
每个微控制器可发出指令和有效值,所述指令能够采用第一值或第二值,如果所述指令由所述微控制器判断为有效,所述有效值能够采用第一值,以及如果所述指令由所述微控制器判断为无效,所述有效值能采用第二值;第二微控制器确保第一微控制器的冗余。如果接收的作为输入的指令伴随有不同的有效值,则传输作为输入的这一指令:对于该指令而言,有限制对应于第一值;或者,如果接收的作为输入的不同指令伴随有对应于所述第二有效值的有效值,则传输第一指令值;或者,如果接收的作为输入的相同指令伴随有对应于所述第二有效值的有效值,则传输第一指令值。
如果接收的作为输入的不同指令伴随有对应于所述第一值的有效值,可传输由所述第一微控制器传输的指令。
如果接收的作为输入的不同指令伴随有对应于所述第一值的有效值,传输预先接收到的指令。
本发明的另一主题是如上描述的方法和其变型的使用,用于控制航空器的配电系统,所述系统包括至少一个供电通道,所述供电通道包括至少一个开关装置。
如上限定的发明具有许多优势。第一优势为所需的微控制器的数量的减少,这能够增加电源部分的可用有效区域、降低组件成本、降低由保护功能(器件)耗散的总功率,以及增加电路板的MTBF,微控制器及其外围设备为电路板,特别是SSPC板,的MTBF值的实质贡献者。
第二个优势对应于在单个微控制器中的保护和控制功能的集中化,因此能够在三相配置中更好地管理与给定的三相组关联的SSPC的控制。具体地,出于安全原因,在一个SSPC线路上出现故障时断开所有三相通常是必要的。
最后,另一优势归因于这样的事实:使保护功能集中的微控制器也可起到与外部通信的通信网关的作用。因此,不再需要保护微控制器和通信网关之间的内部通信总线。
附图说明
当阅读以下的描述时,本发明的其它的目的、特征和优势将变得明显,以下的描述仅通过非限制示例并参考附图给出,其中:
图1示出控制和保护SSPC通道的总体架构;
图2示出控制和保护SSPC通道的隔离架构;
图3示出控制和保护SSPC通道的非隔离架构;
图4示出根据本发明的控制和保护SSPC通道的架构;
图5示出根据本发明的用于确定待传输指令的装置的第一实施例;
图6示出根据本发明的用于确定待传输指令的装置的第二实施例;
图7示出根据本发明的控制和保护通道的另一架构;
图8示出根据本发明的用于确定待传输指令的装置的第三实施例;
图9示出根据本发明的,集成有现场可编程门阵列(FPGA)的控制和保护通道的另一架构。
具体实施方式
以下描述了非隔离的集中式控制和保护架构,该架构与电源部分关联,该架构的功能是用于静态或动态地分配电能。
以下描述了在SSPC应用环境中这种新型控制和保护架构的使用。然而,这可被推广到用于控制电能分配的其他装置。
最先进的微控制器的能力(capacity)使在给定的组件、大量的计算能力中提供设想成为可能。因为微控制器领域的技术发展,微控制器的计算能力只有在未来继续提高。因此,单个微控制器替代多个微控制器的使用可被考虑。这种观点已引起新型的控制和保护架构的启用,这种新型的控制和保护架构在图4中的SSPC使用的环境中阐述。
就微控制器而言时给出以下描述。然而,它容易被推广到能发出所需作为输出的信号的任何类型的控制装置。
在这种架构中,单个微控制器与SSPC板的所有或部分的SSPC通道关联。SSPC通道为供能通道的具体示例。本描述可被推广到供能通道的情况。
此外,如果微控制器的处理能力不足,至少一个额外的微控制器可被使用,以便微控制器的处理能力的总量高于或等于所需的处理能力从而管理所有SSPC通道。如上所述,每个微控制器可与通信总线连接或直接连接到航空器总线。而且,它发出用于装置(8,8b,8n)控制指令以控制SSPC通道,并接收来自SSPC通道的传感器的信号(Vin,Vout,I,Trip_out)。
在本这种情况下,微控制器根据SSPC通道的开关装置是否必须接通或断开,发出可能的两种状态的指令。
在一个微控制器足以控制SSPC全部通道的情况下,在该微控制器故障的情况下仍有所有SSPC通道受损的风险。因此在这种情况下,有必要提供至少两个微控制器(1a,1b),每个微控制器能够控制所有SSPC通道。
该意见(observation)可被推广到包括多个微控制器的系统,每个微控制器控制一组SSPC通道。为了不因控制微控制器故障而损失一组SSPC通道,在每个控制一组SSPC通道的微控制器中有必要做冗余预先安排。因此,对需要n个微控制器处理能力的一组通道而言,提供2n个微控制器以便每个微控制器通过另一专用于管理相同组SSPC通道的微控制器成为冗余的。
然而,鉴于两个微控制器同时发出用于给定组的SSPC通道的指令,用于确定待传输指令的装置是有必要的,以确定哪些控制指令必须被传输给SSPC通道,以便单个控制器仍为该组SSPC通道的主控制装置。
以下描述了用于确定待传输指令的装置操作。
在该配置中,一组SSPC通道包括若干SSPC通道,这些SSPC通道每个连接到:
——输电线路(Vin,Vout);
——用于确定待传输指令的装置(14,14b,14n);以及
——至少两个微控制器(1a,1b),这里分别被称为主微控制器和从微控制器,所述至少两个微控制器接收线路电压测量、电流测量、开关信息(断路)或任意其它所需的用于确定SSPC通道是否正确运行的量。测量还可包括交流电频率的测量、失真率、DC供电的纹波系数以及交流(AC)供电的总谐波失真。
现将描述用于确定待传输指令的装置(14,14b,14n)的不同结构。M表示信号来自被称为主微控制器的微控制器1a。相反地,S表示信号由被称为从微控制器的微控制器1b发出。主微控制器和从微控制器每个都能够控制SSPC通道,主微控制器为其命令具有优先权的微控制器,从微控制器为在主微控制器故障的情况下确保控制连续性的冗余微控制器。然而,主微控制器和从微控制器的角色可在配置期间交换。
在图5示出的第一实施例中,用于确定待传输指令的装置包括四个输入和一个输出,这四个输入成对连接到两个微控制器,输出用于控制一个SSPC通道。
这四个输入携带两个指令信号和两个有效信号,每个指令信号来自一个微控制器,指令信号用CmdM和CmdS表示,两个有效信号用有效M(ValidityM)和ValidityS表示,每个有效信号也来自一个微控制器。
由此得到的用于确定待传输指令的装置14包括指令的有效性验证,以确保冗余,然而同时给定从主微控制器接收的指令的优先权。
携带信号CmdM的输入和携带信号ValidityM的输入连接到标记为15的第一与非逻辑门。
携带信号CmdS的输入和携带信号ValidityS的输入连接到标记为16的第二与非逻辑门。
携带信号ValidityM的输入和标记为16的第二与非逻辑门连接到标记为17的或逻辑门。
标记为15的第一与非逻辑门和标记为17的或逻辑门连接到第三与非逻辑门,第三与非逻辑门标记为18。标记为18的第三与非逻辑门的输出连接到用于确定待传输指令的装置14的输出。
该结构比较简单,因为该结构仅需要两个微控制器。该用于确定待传输指令的装置的操作是基于指令的有效性验证,而不是基于来自这至少两个微控制器的指令的一致性。
下表示出了本实施例的用于确定待传输指令的装置的真值表。
在图6示出的第二实施例中,用于确定待传输指令的装置包括四个输入和一个输出,这四个输入成对连接到一个微控制器,且输出用于控制SSPC通道。
这四个输出携带两个指令信号和两个有效信号,每个指令信号来自一个微控制器,这两个指令信号用CmdM和CmdS表示,两个有效信号用ValidityM和ValidityS表示,每个有效信号也来自一个微控制器。
由此得到的用于确定待传输指令的装置包括指令的有效性验证,以确保指令的冗余,然而同时在冲突情况下给出先前指令的优先权。
携带信号CmdM的输入和携带信号ValidityM的输入连接到标记为19的第一与非逻辑门。
携带信号CmdS的输入和携带信号ValidityS的输入连接到标记为20的第二与非逻辑门。
携带信号ValidityM的输入和标记为20的第二与非逻辑门连接到标记为21的第一或逻辑门。
标记为19的第一与非逻辑门和标记为21的第一或逻辑门连接到标记为22的第三与非逻辑门。
携带信号CmdM的输入和携带信号CmdS的输入连接到标记为23的第二异或逻辑门。
携带信号ValidityM的输入和携带信号ValidityS的输入连接到标记为24的第四与逻辑门。
标记为23的第二异或逻辑门和标记为24的第四与逻辑门连接到标记为25的第五与逻辑门。
标记为22的第三与非逻辑门和标记为25的第五与逻辑门连接到标记为26的第六与非逻辑门。
标记为22的第三与非逻辑门连接到标记为27的非逻辑门。
标记为27的非逻辑门和标记为25的第五与逻辑门连接到标记为28的第七与非逻辑门。
标记为26的第六与非逻辑门连接到标记为29的第八与非逻辑门的第一输入。
标记为28的第七与非逻辑门连接到标记为30的第九与非逻辑门的第二输入。标记为30的第九与非逻辑门的输出连接到标记为29的第八与非逻辑门的第二输入。标记为29的第八与非逻辑门的输出连接到标记为30的第九与非逻辑门的第一输入。
标记为29的第八与非逻辑门的输出还连接到用于确定待传输指令的装置14的输出。
该结构与第一实施例的结构类似。该第二实施例的优势在于在接收到的被判断为有效的指令之间发生冲突的情况下的指令状态的控制。
下表示出了本实施例的用于确定待传输指令的装置的真值表。
作为变型,可以关联多于两个的微控制器,以便通过用于确定待传输指令的装置生成SSPC通道的指令。图7示出使用三个微控制器控制和保护SSPC通道的架构。在该架构的环境中,所使用的用于确定待传输指令的装置(14,14b,14n)能够管理由三个不同的微控制器(1a,1b,1c)下发的三种指令。其余的控制架构对应于图4示出和如上描述的架构。这种用于确定待传输指令的装置的实施例在图8中示出。可以看出,用于确定待传输指令的装置包括三个输入和一个输出,这三个输入的每一个连接到一个微控制器,并且这一个输出用于控制SSPC通道。在该示例中,这三个微控制器分别发出指令Cmd1,Cmd2和Cmd3。
从用于确定待传输指令的装置发出的作为输出的信号Cmd对应于主要在三个输入Cmd1,Cmd2和Cmd3上接收到的信号。
携带指令信号Cmd1的输入连接到标记为31的非逻辑门。
携带指令信号Cmd2的输入和携带指令信号Cmd3的输入连接到标记为32的第一与逻辑门。
标记为31的非逻辑门和标记为32的第一与逻辑门连接到标记为33的第二与逻辑门。
携带指令信号Cmd2的输入和携带指令信号Cmd3的输入连接到标记为34的第一或逻辑门。
携带指令信号Cmd1的输入和标记为34的第一或逻辑门连接到标记为35的第三与逻辑门。
标记为33的第二与逻辑门和标记为35的第三与逻辑门连接到标记为36的第二或逻辑门。
下表示出了本实施例的用于确定待传输指令的装置的真值表。
Cmd1 |
Cmd2 |
Cmd3 |
Cmd |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
该控制架构和对应的用于确定待传输指令的装置被用于要求最高水平的安全性和可用性的飞行指令。这可以通过使用三个微控制器的代价获得。
此外,可以使用FPGA或更普遍的与微控制器互联的可编程逻辑设备(PLD)。该FPGA允许微控制器上的负载通过执行某些处理器通常必须要执行的功能而被减轻。例如,处理器可通过与一个或多个模数转换器(ADC)连接来处理数字数据和模拟数据;在随机存储器(RAM)中存储数据等。
FPGA可通过并行或串行总线或者离散信号与微控制器交换数据。图9示出这样的实施例,对应于图4示出的实施例,同时补充有两个FPGA37a和FPGA37b,FPGA37a和FPGA37b的每一个都连接在SSPC通道和微控制器之间。