郝曉紅，談 斌，段俊萍

（中國(guó)民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

飛機(jī)電源系統(tǒng)作為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備中的 “血液”部分，完成向所有飛機(jī)的用電設(shè)備供電，對(duì)飛機(jī)的安全與可靠運(yùn)行發(fā)揮著不可替代的作用。那么，無(wú)論是飛行員還是機(jī)務(wù)維修人員，都必須對(duì)電源系統(tǒng)了如指掌，才能完成安全飛行和高質(zhì)量維護(hù)[1-3]?；赟TM32F4 單片機(jī)的電源檢測(cè)和負(fù)載配電系統(tǒng)，以空客（Airbus）A320 機(jī)型的電源系統(tǒng)為設(shè)計(jì)背景，采用單片機(jī)控制及虛擬仿真技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)電源參數(shù)檢測(cè)、供電邏輯控制、故障實(shí)時(shí)保護(hù)、供電匯流條實(shí)時(shí)監(jiān)控、各級(jí)負(fù)載自動(dòng)配電等功能。該系統(tǒng)仿真度高，具備整體性強(qiáng)，操作性高，維護(hù)成本低，且易于復(fù)制，等特點(diǎn)，使用價(jià)值較高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

飛機(jī)電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要完成對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)所有用電設(shè)備的供電。其主要包括供電和配電2 部分，當(dāng)飛機(jī)電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中某一環(huán)節(jié)或者部分功能出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)影響到整個(gè)飛機(jī)的安全飛行。通常，飛行員主要依靠對(duì)電源系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)保護(hù)，以及各電源類(lèi)型之間的相互備份和負(fù)載的智能配電控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行。A320 飛機(jī)電源系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[4-5]。

圖1 A320 飛機(jī)電源系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of power grid structure of A320 aircraft Power system

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以A320 飛機(jī)電源系統(tǒng)供、 配電網(wǎng)絡(luò)為設(shè)計(jì)模型， 對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化和重組，高度仿真實(shí)際飛機(jī)電源系統(tǒng)真實(shí)功能。飛機(jī)電源檢測(cè)和負(fù)載配電系統(tǒng)總設(shè)計(jì)如圖2所示。對(duì)輸入電源的主要參數(shù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理， 進(jìn)而實(shí)施檢測(cè)，達(dá)標(biāo)后依據(jù)供電邏輯對(duì)各級(jí)匯流條進(jìn)行供配電控制，并能夠直觀(guān)地顯示出各類(lèi)各級(jí)回流條實(shí)時(shí)供電情況及負(fù)載情況。同時(shí)，按飛機(jī)在不同飛行階段的需求對(duì)負(fù)載進(jìn)行配電控制，并且當(dāng)負(fù)載或電源出現(xiàn)不正常運(yùn)行或故障時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)進(jìn)行保護(hù)處理和復(fù)位處理，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 飛機(jī)電源檢測(cè)和負(fù)載配電系統(tǒng)總設(shè)計(jì)Fig.2 General design of aircraft power detection and load distribution system

2 飛機(jī)電源檢測(cè)和負(fù)載配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛機(jī)電源檢測(cè)和負(fù)載配電系統(tǒng)主要由2 部分組成，電源檢測(cè)子系統(tǒng)和負(fù)載配電子系統(tǒng)。電源檢測(cè)子系統(tǒng)為負(fù)載正常配電做好前期準(zhǔn)備，負(fù)載配電子系統(tǒng)反饋實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)給檢測(cè)子系統(tǒng)，這2 個(gè)系統(tǒng)互相獨(dú)立且又相輔相成，共同完成飛機(jī)供、配電功能。

2.1 飛機(jī)電源檢測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛機(jī)電源檢測(cè)子系統(tǒng)以STM32F407 芯片為核心控制器。先對(duì)輸入電源的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，然后進(jìn)行參數(shù)符合性檢測(cè)。當(dāng)電源參數(shù)達(dá)到通電標(biāo)準(zhǔn)后，再根據(jù)電源系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行供電優(yōu)先級(jí)配置供電網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)并保護(hù)控制模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)；當(dāng)出現(xiàn)輸出信號(hào)不正常時(shí)，及時(shí)進(jìn)行保護(hù)，并重新配置供電網(wǎng)絡(luò)，并將相應(yīng)信號(hào)傳輸給負(fù)載配電子系統(tǒng)，為負(fù)載配電做好前提工作。

2.1.1 電源參數(shù)采集方法

據(jù)GJB 181B—2012《飛機(jī)供電特性》，ISO 1540：2006 Aerospace-Characteristics of aircraft electrical system，GJB5189—2003 《飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法》等標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定及系統(tǒng)要求[6-8]，基于本系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要測(cè)試的參數(shù)如下：①穩(wěn)態(tài)交流電壓U，測(cè)試范圍為100～130 V；②穩(wěn)態(tài)交流電流I，測(cè)試范圍為0～10 A；③穩(wěn)態(tài)交流頻率F，測(cè)試范圍為380～420 Hz。

為保證交流電壓、電流同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，要求采樣通道≮6 路；電壓采樣頻率≮20 kHz；電流采樣頻率≮6.67 kHz； 周期或頻率的采樣頻率≮80 kHz，計(jì)數(shù)頻≮1.25 MHz。

（1）穩(wěn)態(tài)電壓U 及電流I 根據(jù)該項(xiàng)目提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要檢測(cè)相電壓有效值范圍為100～130 V，檢測(cè)誤差為±2.5%。結(jié)合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，按多路同時(shí)采集方式，同時(shí)采集單相電壓、電流值，考慮檢測(cè)精度要求，設(shè)置采樣頻率都為40 kHz，每個(gè)周期采樣點(diǎn)約為100 個(gè)，采集時(shí)間為200 個(gè)周期。具體計(jì)算時(shí)，先求出每個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)，然后得到相電壓的有效值[9]，即

式中：U 為每周波相電壓的有效值；i 為每周波采樣點(diǎn)數(shù)，i=1～n，n≥100；ui為采集任一點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值。

相電流有效值的求取計(jì)算公式與相電壓有效值一致。

（2）穩(wěn)態(tài)頻率F 需要檢測(cè)的交流信號(hào)的頻率范圍為380～420 Hz，誤差為±2%。為了保證檢測(cè)精度，設(shè)置采樣頻率≮80 kHz，計(jì)數(shù)頻率≮1.25 MHz[10]。采樣測(cè)頻具體過(guò)程如下：首先檢測(cè)每個(gè)周波的周期Ti，并求其倒數(shù)得到頻率fi，取數(shù)個(gè)周波的平均值，或者檢測(cè)數(shù)個(gè)周波的時(shí)間，除以周波數(shù)計(jì)算得到頻率的平均值。（采樣時(shí)間≮1 s），即為穩(wěn)態(tài)頻率，有

式中：M 為頻率采樣的個(gè)數(shù)；fi為頻率采樣值。

2.1.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊，主要用于將輸入的三相交流電壓、電流模擬信號(hào)調(diào)理到STM32F407 單片機(jī)的輸入的正常范圍。該單片機(jī)的電壓信號(hào)范圍為0～3 V[11]。三相交流電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)降壓處理，再送入OP07 芯片進(jìn)行信號(hào)整定， 達(dá)到可接受范圍內(nèi)之后直接輸入至STM32F407 進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。頻率或周期的調(diào)理是在電壓信號(hào)的基礎(chǔ)上， 通過(guò)LM393 芯片進(jìn)行處理。電壓、頻率調(diào)理信號(hào)電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電壓、頻率信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Signal regulate circuit of voltage and frequency

通過(guò)電流互感器采集到的三相交流電流信號(hào)首先進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換， 再將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)送入OP07 芯片進(jìn)行信號(hào)整定， 之后輸入給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。電流調(diào)理信號(hào)電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.1.3 電源邏輯控制與保護(hù)模塊

電源邏輯控制與保護(hù)模塊是按照A320 機(jī)型的供電邏輯， 以STM32F407 單片機(jī)為控制核心芯片。該模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、邏輯處理，如果檢測(cè)指標(biāo)符合系統(tǒng)要求，則完成電源系統(tǒng)正常供電模式配置，如電源指標(biāo)出現(xiàn)不正常或故障。A320 飛機(jī)正常、不正常電網(wǎng)供電模式如圖5所示。按照飛機(jī)設(shè)計(jì)要求， 實(shí)現(xiàn)GLC，APC，BTC 等電源系統(tǒng)控制主接觸器之間的邏輯切換功能，完成電源系統(tǒng)不正常或故障供電模式配置。

圖4 電流信號(hào)調(diào)理電路Fig.4 Current signal regulate circuit

圖5 A320 飛機(jī)正常與不正常電網(wǎng)供電模式Fig.5 Power supply mode of normal and abnormal power grid of A320 aircraft

2.1.4 串口通信模塊

串口通信模塊，主要用于完成STM32F407 單片機(jī)與PC 上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊， 以及STM32F407單片機(jī)與負(fù)載配電控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中，STM32F407 與PC 之間的通訊采用RS232 協(xié)議，與負(fù)載配電控制器之間的通訊采用RS485 協(xié)議。

2.2 飛機(jī)負(fù)載配電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛機(jī)負(fù)載配電子系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)飛機(jī)在不同的飛行階段對(duì)用電設(shè)備的不同需求而進(jìn)行的電能分配。由于受試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)成本等限制，在負(fù)載配電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中基于A320 飛機(jī)電氣負(fù)載分析文件，同時(shí)依據(jù)不同飛行階段負(fù)載需求，按照發(fā)電機(jī)功率300∶1 的比例進(jìn)行重新匹配設(shè)計(jì)， 高度擬合了飛機(jī)真實(shí)配電方式，達(dá)到了較好的試驗(yàn)效果。

2.2.1 負(fù)載配電方案設(shè)計(jì)

電氣負(fù)載分析文件提供了飛機(jī)在預(yù)期的所有運(yùn)行環(huán)境和條件下的正常與非正常電氣負(fù)載情況。依據(jù)空客公司為航空公司提供的A320 飛機(jī)電氣負(fù)載分析文件，將飛行分為9 個(gè)階段：1）地面（Ground）；2）啟動(dòng)（Start）；3）起飛滑行（Roll）；4）起飛（Take off）；5）爬升（Climb）；6）巡航（Cruise）；7）下降（Descent）；8）著陸（Landing）；9）著陸滑行（Taxiing）。飛機(jī)處于不同的飛行階段，每臺(tái)發(fā)電機(jī)、每個(gè)匯流條的承載的負(fù)載功率大小不同；不同的供電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，相同的飛行階段，每個(gè)匯流條承載的負(fù)載功率大小也不同[12]。

基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，分別對(duì)5 種供電情況下對(duì)應(yīng)匯流條1XP，2XP 和4XP 的帶載情況進(jìn)行了分析。這5 種情況分別是：2 臺(tái)主發(fā)電機(jī)正常工作；1號(hào)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電（2 號(hào)發(fā)電機(jī)故障）；2 號(hào)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電（1 號(hào)發(fā)電機(jī)故障）；電瓶向電網(wǎng)供電；應(yīng)急發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電。

A320 飛機(jī)的單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量為90 kV·A，而試驗(yàn)裝置所采用的電源容量只有3 kV·A。為實(shí)現(xiàn)與電源的匹配， 將實(shí)際飛機(jī)上的負(fù)載按照300∶1 等比例縮小之后，再經(jīng)過(guò)2～3 次的數(shù)值修正，使每臺(tái)發(fā)電機(jī)的最大負(fù)載達(dá)到170 W，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。1 號(hào)發(fā)電機(jī)供電情況下負(fù)載配置見(jiàn)表1。

表1 1 號(hào)發(fā)電機(jī)供電情況下負(fù)載配置Tab.1 Load configuration under power supply of generator No.1 gen

2.2.2 負(fù)載配電控制與實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

負(fù)載配電控制器選用16 路串口繼電器控制板模塊。該模塊采用RS232，RS485 等多種串口通信協(xié)議，可同時(shí)進(jìn)行16 路繼電器得通斷控制，滿(mǎn)足負(fù)載配電各種配置需求； 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊完成PC 上位機(jī)與STM32F407 單片機(jī)及配電控制板的相互通信，實(shí)現(xiàn)3 個(gè)主要功能，即供電情況的實(shí)時(shí)顯示；對(duì)輸入電源檢測(cè)值的顯示；不同飛行階段的負(fù)載控制；等。系統(tǒng)的部分監(jiān)控顯示如圖6所示。

圖6 部分監(jiān)控實(shí)時(shí)顯示Fig.6 Partial monitoring real-time display

3 系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試與分析

按照A320 飛機(jī)電源系統(tǒng)操作標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)υO(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。其測(cè)試內(nèi)容主要有功能測(cè)試和數(shù)據(jù)測(cè)試2 部分。

1）功能測(cè)試 包括電源面板的操作和顯示、電源質(zhì)量檢測(cè)和保護(hù)、匯流條邏輯控制、負(fù)載配電控制、匯流條及負(fù)載配電顯示、上位機(jī)交互頁(yè)面的控制和顯示等。系統(tǒng)功能試框架如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能測(cè)試框架Fig.7 Frame of system functional test

2）數(shù)據(jù)測(cè)試 包括gen 1，gen 2，APU gen，EMG的電壓、電流和頻率。將電網(wǎng)供電模式配置為1 號(hào)發(fā)電機(jī)、2 號(hào)發(fā)電機(jī)、 輔助電源設(shè)備APU（auxiliary power unit） 發(fā)電機(jī)、 應(yīng)急發(fā)電機(jī)EMG（EMergency Generator）單獨(dú)為整個(gè)電網(wǎng)供電，對(duì)各個(gè)電源類(lèi)型進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試， 并對(duì)每種電源在10，50，100，200 次操作下進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。具體的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表可知，當(dāng)電網(wǎng)模式配置1 號(hào)發(fā)電機(jī)或2 號(hào)發(fā)電機(jī)單獨(dú)為整個(gè)電網(wǎng)供電時(shí)，因1 號(hào)、2 號(hào)發(fā)電機(jī)電源容量相同，所以電壓、電流數(shù)據(jù)整體保持一致，偏差很小，且精度達(dá)到約±1%；因APU 發(fā)電機(jī)比主發(fā)電機(jī)電源容量較小， 故可分配的負(fù)載相對(duì)也較少，所以雖然電壓數(shù)據(jù)與主發(fā)電機(jī)保持一致，但電流數(shù)據(jù)比主發(fā)電機(jī)負(fù)載模式下的要偏??；由于應(yīng)急發(fā)電機(jī)，僅在當(dāng)飛機(jī)主發(fā)電機(jī)和APU 發(fā)電機(jī)都故障情況下，才會(huì)使用，所以電網(wǎng)配置處于緊急模式，只能保證最重要的用電設(shè)備不失電，因此所測(cè)電流參數(shù)值更小，符合實(shí)際配置要求。

4 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)電源系統(tǒng)作為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備中的 “血液”部分，完成向所有飛機(jī)的用電設(shè)備供電。電源檢測(cè)子系統(tǒng)與負(fù)載配電子系統(tǒng)相互影響、 相輔相成，為飛機(jī)的安全可靠運(yùn)行保駕護(hù)航?；赟TM32F4 A320 電源檢測(cè)和負(fù)載配電系統(tǒng)，能完成輸入115 V，400 Hz 交流電壓、電流、頻率等參數(shù)的檢測(cè)、邏輯控制、電網(wǎng)保護(hù)、負(fù)載配電以及實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控等功能；可高度虛擬飛機(jī)上電源系統(tǒng)的相關(guān)功能和操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模擬。該系統(tǒng)具備真實(shí)性強(qiáng)，可操作性高，可維護(hù)性好等特點(diǎn)，一方面適用于航空維修電源系統(tǒng)訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)，另一方面可為電源系統(tǒng)附件維修提供一定的維修方案和技術(shù)支持。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data