CN105375622B - 航空器的配电系统 - Google Patents

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Abstract

航空器的配电系统，包括至少一条电力供应路径，所述电力供应路径包括至少一个功率单元，所述功率单元能够开启或切断至少一个电能源与至少一个航空器的设备之间的连接。所述配电系统包括多个保护板(2b、2n)，每个保护板均包括至少两个微控制器，每个所述微控制器能够将指令发送到由每个保护板所保护的电力供应路径的每个功率单元，在保护板的微控制器集合中，所述保护板(2b、2n)的所有微控制器中至少两个微控制器设置有通信和计算功能。

Description

航空器的配电系统
技术领域
本发明的技术领域涉及航空器的配电系统，尤其涉及这种系统的控制方法。
背景技术
通常，航空器具有尤其包括一次配电系统和二次配电系统的电气系统。该二次配电系统能够保护和分配来自内部电源或外部电源的电功率，内部电源例如为发电机或电池，外部电源例如为地面功率单元。
上述二次分配系统由多个电路板构成，这些电路板尤其是通信和计算板(EDMU)以及保护板(SSPC)。
图1示出了根据现有技术的二次分配系统。该系统包括两种类型的板：被称为电力分配管理单元(Electrical Distribution Management Unit，简称“EDMU”)的通信和计算板，参见(1a、1b)，以及被称为固态功率控制器(Solid State Power Controller，简称“SSPC”)的保护板，参见(2a、2b、2n)。
不同板可安装在单个机架中，或它们可以以包括至少一个板的不同物理组件的形式分布在航空器中。
通信和计算板的功能为：确定集成在也称为功率单元的保护板上的电源开关的指令(开启或切断)，该保护板控制将电能运输到航空器的各负载的各条线路的供电情况。词语“航空器的各负载”表示消耗可用电能的电力设备。
更确切地说，尤其根据ARINC 429、航空电子全双工交换式以太网(AFDX)、控制器局域网(CAN)以及以太网标准和协议，通信和计算板提供通过航空器总线(3a、3b)与航空器通信的功能；通信和计算板还提供获取离散输入的功能、在离散输入和/或航空器总线上接收的数据的基础上对受保护路径(功率单元)的指令进行计算的功能、通过尤其是CAN或RS485型的内部总线(4a、4b)与保护板通信的功能，以及对保护板进行编程的功能(在通信故障的情况下额定功率、保护曲线的类型、反馈模式)。
获取装置直接设置在通信和计算板上，或它们位于被称为配电输入单元(Electrical Distribution Inputs Unit，简称“EDIU”)的特定附加板上。
与保护板的通信包括：将指令发送到被称为SSPC路径的受保护路径的功率单元，然后读取保护板的状态，尤其是功率单元的状态、电流和电压测量值或自测结果。
通常通过使用集中在每个通信和计算板中的数据库计算受保护路径的指令，对于每个输出，上述数据库均包含所参与的输入(离散输入或通过航空器总线的输入)的列表和例如真值表形式的控制逻辑。
在每个周期中，通信和计算板获取可能被控制逻辑使用的所有输入，计算每个受保护路径的指令，然后通过内部通信总线(4a、4b)将上述指令发送到保护板(2a、2b、2n)。
通信和计算板还为每个保护板提供用于保护的所必需的数据，尤其是额定功率、曲线的类型、激活顺序或非保护功能(例如电弧检测)的顺序、反馈模式，即，在内部通信总线完全故障的情况下，受保护路径切换到的状态(例如开启、切断或在以前的状态)。
这些数据在特定模式下传输(例如当供电时，从地面上获取)，且这些数据在说明书的其余部分不再考虑。
为确保二次分配功能的良好可用性，通信和计算板具有冗余。每个保护板通过第一通信和计算板1a的缺省来管理。在第一通信和计算板1a故障的情况下，保护板自动切换到第二通信和计算板1b。
保护板的功能为：确定在功率单元和/或电力供应线路的层面上发生的异常。在这种情况下，保护板指示功率单元开启，以防止损坏所连接的负载。
更精确地说，保护板确保具有：通过内部总线(通常为CAN、RS485……)与通信和计算板通信的功能，接收受保护路径的功率单元的指令的功能，发送保护板的状态(切换状态、电流、电压、自测结果)的功能，控制受保护路径的功率单元的功能，根据航空器的特定需求以保护受保护路径(过压、短路、差动保护、电弧……)的功能，获取受保护路径的内部参数(切换状态、电流、电压、自测结果)的功能。
根据现有技术，这种结构允许计算和保护功能的良好分离，且具有良好的可靠性和良好的可用性。
用于通信和计算板的设计的处理器和存储器能够承载整个航空器的完整数据库，然而用于保护板的处理器却很小(每个受保护路径均具有一个微处理器)。因此每个微处理器均用到其最大的潜能。
然而，这种结构具有一定数量的缺点，例如需要将板专属于指令的计算。这增加了系统的重量和成本，且需要特定参考，具有额外开发。
例如，在“行政专机”类型的航空器上，二次分配系统包括四个机架，每个机架容纳有八个保护板以及两个通信和计算板。
因此，这些通信和计算板表示硬件环境的完整设计和软件环境的完整设计，这使电子开发的成本加倍，增加了相当于所有所需板的生产成本的20％的额外生产成本。
在开发或航空器的使用寿命期间，在改装系统的情况下，这两种类型的板都需要由航空器制造商或运营商进行改装以及可能升级，每次都会使设计和物流成本加倍。
发明内容
本发明的目的是航空器的配电系统，所述配电系统包括至少一条电力供应路径，所述电力供应路径包括至少一个功率单元，所述功率单元能够开启或切断至少一个电能源与至少一个航空器设备之间的连接。所述配电系统包括：多个保护板，每个所述保护板均包括至少两个微控制器，每个所述微控制器能够将指令发送到由每个保护板所保护的电力供应路径的每个功率单元，以及在保护板的微控制器的集合中，保护板的所有微控制器中至少两个微控制器设置有通信和计算功能。
设置有通信和计算功能的各微控制器能够设置在相同的保护板上，设置有通信和计算功能的微控制器各自具有与航空器总线相接的接口。
设置有通信和计算功能的各微控制器能够设置在不同的保护板上，设置有通信和计算功能的微控制器各自具有与航空器总线相接的接口。
设置有通信和计算功能的微控制器可以为设置有子板的保护板，所述子板包括与航空器总线相接的接口。
所述配电系统可包括至少两个能够容纳保护板的插槽，每个所述插槽包括允许保护板、集成有保护板插槽的子板运行的电源和数据连接。
所述子板以这种方式连接和设置：所述子板与保护板集成在一起。
所述配电系统可包括至少两个能够容纳保护板的插槽，每个插槽均包括允许所述保护板运行的电源和数据连接，当包括设置有通信和计算功能的微处理器的保护板设置在预定保护板插槽中时，包括设置有通信和计算功能的微处理器的保护板是配置为具有通信和计算功能的保护板。
设置有通信和计算功能的各微控制器可设置在相同的保护板上，这个保护板集中所有信息，所述信息来自航空器总线以及来自所述配电系统的所有保护板的离散输入，所述设置有通信和计算功能的各微控制器能够计算经由内部总线的、所述保护板的功率单元的所有指令。
每个保护板的微控制器可接收来自直接连接到每个保护板的离散输入的信息，所述微控制器能够确定并发送所述功率单元的指令，所述指令作为从离散输入读取的信息的函数。
每个保护板的微控制器能够接收来自直接连接到每个保护板的离散输入的信息，所述微控制器能够确定并发送所述功率单元的指令，所述指令作为从离散输入读取的信息的函数，或者所述微控制器能够接收由至少一个包括设置有通信功能的微控制器是保护板计算的指令。
附图说明
通过阅读以下仅给出非限制性实施例的说明书并参照附图，本发明的其它的目的、特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示出了根据现有技术的二次分配系统，
图2示出了具有两个微处理器的保护板的主要元件，
图3示出了不具有通信和计算板的配电系统，
图4示出了包括冗余EDMU功能且两个保护板连接到航空器总线的分配系统，
图5示出了集成有EDMU功能的保护板的主要元件，
图6示出了包括冗余EDMU功能和额外的内部通信总线的配电系统。
具体实施方式
从目前开始，保护板结构的当前发展能够设想由用于控制所有受保护路径的至少两个微处理器的集合替代目前为止对每条受保护路径均单一使用的微处理器(也就是说，例如，用于一个16路保护板的16个微处理器)。图2示出了这种保护板的主要元件。可以看出，两个冗余微处理器(5a、5b)通过用于确定需被传输的指令的媒介装置(7a、7b、7n)，控制受保护路径的功率单元的控制装置(6a、6b、6n)，其中，所述媒介装置能够确定哪条微处理器指令必须被传输。上述微处理器各自连接到测量受保护路径的状态的装置，和航空器总线(4a、4b)。
这种保护板允许大幅度减少所使用的微处理器的数量(同时减少重量、体积和成本)，并且能够相当大幅度地增加最新的微处理器的计算能力。
可以通过利用微处理器目前的功能，并通过进行一些调整，以改进这个结构，以便将配电系统的EDMU功能或通信和计算功能集成在保护板中。那么有可能免除单独的通信和计算板的存在。
图3示出了不包含有通信和计算板的配电系统。可以看出，与图1所示的结构不同的是，通信和计算板已被去除。此外，航空器总线(3a、3b)直接连接到包括EDMU功能的标记为8的第一保护板，包括EDMU功能的第一保护板8由至少一条内部总线(4a、4b)连接到其它保护板(2b、2n)。
使用包括EDMU功能的保护板的两个微处理器，以提供等同于使用单独的通信和计算板的配电系统的微处理器的有效效果。
此外，可以提供EDMU功能的冗余以及两个保护板与航空器总线的连接。图4示出了这样的实施例。可以看出，与图3所示的配电系统不同，本配电系统包括具有EDMU功能的标记为8a和8b的两个保护板，每个保护板均连接到分别标记为3a和3b的航空器总线。包括EDMU功能的两个保护板通过至少一条内部总线(4a、4b)连接到其它保护板(2b、2n)。
在这种情况下，在包括EDMU功能的每个保护板上，仅将航空器总线连接到的处理器用于EDMU功能。
该配电系统具有在两个物理上相独立的板上执行EDMU功能的优势，这消除了所有公共点(连接器，印刷电路，电源)，公共点的故障可能使整个系统不可用。
图5示出了集成有EDMU功能的保护板。与图2相比，可以看出，该配电系统增加了与航空器总线3a相接的第一微处理器5a的第一接口9a和与另一航空器总线3b相接的第二微处理器5b的第二接口9b。
在这种情况下，所有的EDMU功能被转移到保护板上。这对应于图3所示的配电系统的结构。
此外，各个保护板与集成有EDMU功能的保护板的微处理器对话，像它们与独立的通信和计算板对话一样。换句话说，各个保护板通过集成有EDMU功能的保护板的第一微处理器5a执行与EDMU功能的对话，在第一微处理器5a故障的情况下，则与集成有EDMU功能的保护板的第二微处理器5b对话。
在所有的EDMU功能被转移到两个分离的保护板的情况下，相较于图2，在两个微处理器5a、5b中的一个与航空器总线3a、3b中的至少一条之间增加了单个接口9。这种情形未示出。然而，这对应于图4所示的配电系统的结构。
EDMU功能在集成有EDMU功能的每个保护板的每个第一微处理器5a中执行。各个保护板与集成有EDMU功能的第一保护板的第一微处理器对话，在集成有EDMU功能的第一保护板的第一微处理器故障的情况下，则与集成有EDMU功能的第二保护板的第一微处理器对话。
在所有的情况下，还为支持EDMU功能的微处理器增加了离散输入接口10。因此，集成有EDMU功能的每个保护板接收配电系统所必需的一部分离散输入(DSI)。
与航空器总线(3a、3b)相接的接口9a、9b可以安装在所有板上，无论它们是保护板(2a、2b、2n)还是集成有EDMU功能的保护板(8a、8b)，这取决于接口9a、9b的复杂性和成本。在这种情况下，这些板是完全相同的，集成有EDMU功能的一个或多个保护板由其在板的机架中的位置确定。换句话说，集成有EDMU功能的保护板(8a、8b)由“引脚编程”配置。当集成有EDMU功能的保护板被插入到预定保护板插槽时，该“引脚编程”对应于标识，然后对应于集成有EDMU功能的保护板的编程。在当前情况下，集成有EDMU功能的一个或多个保护板的标识激活了存在于所述保护板上的EDMU功能。如果相同板不具有该标识，则对于上述相同板仅保护板功能被激活。保护板插槽可以设置在位于其他保护板插槽之间的母板上。
在与航空器总线相接的接口可以以较低的成本集成在保护板的微处理器的情况下，选择该种方法。当总线是CAN或SCI类型且集成在微处理器中时，就是这样的情况。当微处理器具有双核心且能够使一个核心专用于SSPC功能以及一个核心专用于通信功能(能够支持以太网协议的ARING 429仿真卡、软件栈)时，也是这种情况。
与航空器总线(3a、3b)相接的接口9a、9b可以以子板的形式增加到其中一个保护板上，这取决于接口9a、9b的复杂性和成本。因此被装备的上述保护板假设具有EDMU功能。集成有EDMU功能的保护板为配备有通信模块(工厂装配)的标准保护板。因此，它具有专用参考。集成有EDMU功能的保护板由所存在的通信模块和/或由引脚编程识别。子板可直接连接到保护板，该保护板因此呈EDMU功能，或者连接到保护板插槽，例如母板上的保护板插槽，以这种方式，插入到该插槽中的保护板呈EDMU功能。在后一种情况下，母板提供子板和保护板之间的信号连接。这些信号为子板的电源以及子板的通信功能和保护板的微控制器之间的对话信号。
在与航空器总线相接的接口表示在所有保护板中的系统安装的沉重的成本的情况下，选择该系统。例如当总线为需要专用且昂贵的电路的ARING 429类型时，就是这种情况。当总线为需要专用且昂贵的电路的AFDX类型时，也是这种情况。在这种情况下，这是涉及到结合有DSP、以太网接口和AFDX软件栈的专用处理器的问题，该专用处理器与专用航电设备电路相结合。
与航空器总线(3a、3b)相接的接口(9a、9b)可以被增加(以最小夹层的形式)到容纳有SSPC的机架的母板上，这取决于接口(9a、9b)的复杂性和成本。因此所有的保护板是完全相同的。集成有EDMU功能的保护板由所存在的通信模块和/或由引脚编程识别。
在与航空器总线相接的接口表示在所有保护板中的系统安装的沉重的成本的情况下，选择该系统。例如当总线为需要专用且昂贵的电路的ARING 429类型时，就是这种情况。当增加到机架上的夹层必须包含最少的组件，以便非常紧密，并因此仅包含通信电路时，也是这种情况。因而软件管理仍然由保护板的微处理器提供。
因此，EDMU功能被分布在如下所示的保护板的集合中：
在来自离散输入和/或来自在航空器总线上接收的数据的指令的计算情况下，以及在指令的发送的情况下，可以设想两种解决方案。
在第一实施例中，集成有EDMU功能的保护板集中来自航空器总线和来自该配电系统的所有保护板的离散输入的所有信息，计算所有指令，并将这些指令经由内部总线发送到各个保护板。
在第二实施例中，每个保护板读取来自直接连接到每个保护板的离散输入的信息，确定并发送作为来自离散输入读取的信息的函数的功率单元的指令。
在第三实施例中，每个保护板读取来自直接连接到每个保护板的离散输入的信息。每个保护板确定作为来自离散输入读取的信息的函数的功率单元的指令，或者接收由至少一个设置有EDMU功能的保护板计算的指令。
此外，集成有EDMU功能的保护板管理至少一条内部通信总线(4a、4b)。
内部通信总线(4a、4b)包括次周期和主周期。
在每个次周期中，集成有EDMU功能的保护板为给定保护板发送指令，并反过来接收有关所述保护板的信息。
主周期在(n-1)个次周期结束时完成，其中n表示连接到内部总线的保护板的数量。
在主周期结束时，集成有EDMU功能的保护板计算下一周期的所有指令。
对于具有500Kbit/s的数据率和包括八个保护板的CAN型内部总线，顺序如下所示，上述八个保护板也就是说一个集成有EDMU功能的保护板和七个标准保护板。
每个次周期持续3毫秒(ms)。主周期持续21ms。
消息的发送持续0.3ms。
将指令从集成有EDMU功能的保护板发送到保护板需要一个CAN消息，即0.3ms。
将返回数据从保护板发送到集成有EDMU功能的保护板需要四个CAN消息CAN，即1.2ms。
由于集成有EDMU功能的保护板不需要通过内部总线与自身对话，因而，重复上述对话七次。
在这个例子中，请求通过离散输入激活SSPC与实际激活之间的响应时间需要大约40ms。
在t＝0ms时，可以看出，在第八保护板上，一个输入的激活。在t＝18.3ms时，第八保护板的输入被集成有EDMU功能的保护板读取。在t＝21ms时，计算SSPC指令。在t＝39ms时，将指令发送到第八保护板。在t＝39.3ms时，由第八保护板8应用指令。
如果由集成有EDMU功能的保护板管理的保护板的数量是有限的，则此结构是可行的。如果集成有EDMU功能的保护板必须管理非常大量的保护板，则存在以下危险：内部总线的性能是不足以保持在可接受的响应时间。这个时间取决于每个航空器制造商。该时间在50ms到100ms之间变化通常是可接受的。
在这种情况下，可以提供更多集成有EDMU的保护板。此解决方案不增加板的总数，但对于连接到内部总线的集成有EDMU的保护板的每个群集，需要航空器总线接口冗余。
集成有EDMU功能的保护板的每个群集是独立的，对于安全性这是优点，因为没有易于故障的公共点。
对于集成有EDMU的保护板上与航空器总线相接的接口，也可做相同的配置，以包括额外的总线，参见图6中的11a、11b、11c和11d，使得集成有EDMU的保护板可以管理更多的保护板。
因此，配电系统具有与航空器总线相接的独特接口，且需要在额外的内部通信总线(CAN)的航空器中使用。这种情况在图6中示出。

Claims (10)

1.航空器的配电系统，所述配电系统包括至少一条电力供应路径，所述电力供应路径包括至少一个功率单元，所述功率单元能够开启或切断至少一个电能源与至少一个航空器设备之间的连接，其特征在于，
所述配电系统包括：
保护板(2b、2n)，每个所述保护板均包括至少两个微控制器，每个所述微控制器能够将指令发送到由每个保护板所保护的电力供应路径的每个功率单元，以及
在所述保护板的微控制器的集合中，所述保护板(2b、2n)的所有微控制器中至少两个微控制器设置有通信和计算功能；
包括设置有通信和计算功能的微控制器的保护板由至少一条内部总线连接到其他保护板。
2.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于，设置有通信和计算功能的各微控制器能够设置在相同的保护板(8)上，
设置有通信和计算功能的微控制器各自具有与航空器总线(3a、3b)相接的接口。
3.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于，设置有通信和计算功能的各微控制器能够设置在不同的保护板(8a、8b)上，
设置有通信和计算功能的微控制器各自具有与航空器总线(3a、3b)相接的接口。
4.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于，设置有通信和计算功能的各微控制器设置在至少一个保护板上，每个这样的保护板均连接到子板，所述子板包括与航空器总线相接的接口。
5.根据权利要求4所述的配电系统，其特征在于，所述配电系统包括至少两个能够容纳保护板的插槽，每个所述插槽均包括允许插入的保护板运行的电源和数据连接，
所述子板与保护板插槽连接并与其集成设置。
6.根据权利要求4所述的配电系统，其特征在于，所述子板以这种方式连接和设置：所述子板与保护板集成在一起。
7.根据权利要求1-4任一项所述的配电系统，其特征在于，所述配电系统包括至少两个能够容纳保护板的插槽，每个插槽均包括允许所述保护板运行的电源和数据连接，
当包括设置有通信和计算功能的微处理器的保护板设置在预定保护板插槽中时，包括设置有通信和计算功能的微处理器的保护板是配置为具有通信和计算功能的保护板。
8.根据权利要求2和4-6任一项所述的配电系统，其特征在于，设置有通信和计算功能的各微控制器设置在相同的保护板上，这个保护板集中所有信息，所述信息来自航空器总线以及来自所述配电系统的所有保护板的离散输入，所述设置有通信和计算功能的各微控制器能够计算经由内部总线的、所述保护板(2b、2n)的功率单元的所有指令。
9.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于，每个保护板的微控制器接收来自直接连接到每个保护板的离散输入的信息，所述微控制器能够确定并发送所述功率单元的指令，所述指令作为从离散输入读取的信息的函数。
10.根据权利要求1、2和4-6任一项所述的配电系统，其特征在于，每个保护板的微控制器能够接收来自直接连接到每个保护板的离散输入的信息，所述微控制器能够确定并发送所述功率单元的指令，所述指令作为从离散输入读取的信息的函数，或者所述微控制器能够接收由至少一个包括设置有通信功能的微控制器的保护板计算的指令。
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