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《航空兵器》2016年第6期

摘要：作為電源控制保護器，數字式控制保護器能夠對二次電源變換器進行實時控制，并為其提供各種保護，所以能夠滿足二次電源使用的高可靠性和強實時性要求。基于這種認識，文章對航空二次電源數字式控制保護器設計問題展開了分析，以期為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：航空；二次電源；數字式控制保護器；設計

在航空領域，飛機供電系統是飛機安全飛行提供保障的重要系統之一。而隨著飛機用電設備的不斷增加，飛機二次電源供電的可靠性則在不斷降低。設計數字式控制保護器，則能實現二次電源的實時控制，并為其提供保護，從而滿足飛機的供電需求。因此，相關人員還應加強數字式控制保護器設計問題的研究，以便實現飛機的高質量供電。

1航空二次電源數字式控制保護器應用需求分析

在飛機上，二次電源變換器的主要作用就是將270V高壓直流電轉換為28V直流電，從而為飛機上的28V直流用電負載供電。而二次電源變換器的應用具有較高的實時性和可靠性要求，需利用數字式控制保護器為對變換器進行實時控制和保護，以滿足飛機的用電需求。具體來講，就是通過設計數字式控制保護器對直流變換器進行BIT檢測、健康預測和性能監控，并適時輸出結果以實現變換器的實時控制，同時遵循通信協議要求將變換器工作狀態數據發送至上位機，以實現重要數據信息的存儲。因此，通過應用數字式控制保護，能夠使利用二次電源提供高質量電源的需求得到滿足。

2航空二次電源數字式控制保護器的設計研究

2.1硬件設計

在實際進行二次電源數字式控制保護器設計時，需要以TI公司生產的DSP芯片為核心處理器，芯片型號為SMJ320F2812HFGM150。該種芯片的最高主頻為150MHz，擁有18K*16bit的RAM空間和128K*16bit的Flash空間。保護器連接的通用外部設備包含鼠標、250GB硬盤和17寸顯示器等，并使用了RS485光電轉換器通信接口，使用的軟件開發語言包含匯編語言和C語言，調試開發環境為CCS3.1。從保護器整體結構上來看，其主要由DSP、外圍緩沖電路、存儲電路、調理電路等結構構成。這些電路能夠獨立形成一塊PCB板，在變換器左側板后端安裝，與功率電路距離較遠，所以能夠避免受到過多輻射干擾。保護器電源模塊由兩只分別為3.8V和1.8V線性電源構成，受監控芯片控制，能夠為保護器提供3.3V電源。得到正常供電后，保護器才會進行I/O初始化。此外，保護器上設計有MAX706硬件看門狗電路，能夠在保護器出現軟件跑飛問題時實現硬件復位。

2.2軟件設計

在保護器軟件設計上，還要使DSP中的軟件能夠根據輸入量完成計算方法的選擇，從而實現周期性運算和結果輸出，進而使保護器的實時控制功能得以實現。根據這一思路，需完成五個功能模塊設計。首先，應進行初始化模塊的設計，以利用該模塊進行控制寄存器、初始化中斷向量表和GPIO等部分的初始化處理，并實現保護器定時寄存器及所有外部鏈接設備的初始化。其次，需進行BIT模塊設計，利用該模塊實現芯片RAM自檢、輸出電壓電流保護通道自檢、內部電壓輸入電流保護通道自檢和Flash自檢等。再者，應設計故障保護模塊，以實現保護器的輸出過流保護、輸出欠壓保護、輸出限流、短路保護和過熱告警等功能。在此基礎上，還要進行通信模塊設計，利用模塊實現上位機和控制器通信，使控制器通過RS485總線接收上位機控制指令。而采取的控制方式為主從控制方式，主控為虛擬上位機，每隔50ms會進行信號發送。根據標志位，控制器可以決定是否應答該信號，應答時間應不超出5ms。最后，需完成控制器存儲模塊設計，以實現故障存儲。由于軟件模塊占用性能資源較小，所以能夠在20ms內實現初始化，并利用10ms完成自檢測，每50ms完成一次通信信息接收和發送，可以進行最近三個故障的前10s工作狀態信息存儲[3]。由于軟件為嵌入在DSP中的軟件，所以在上電后會自動加載，而控制保護軟件則會進入無限循環中，以便為變換器提供實時保護。

2.3工作流程

從保護器工作流程上來看，飛機在地面時，如果蓄電池處在接通供電狀態，控制保護器就會接收到來自飛管系統的數據，然后啟動BIT指令。完成指令接收后，保護器將會啟動，并完成上次運行記錄和數據讀取。判定數據記錄正常后，保護器將啟動功率電路，并根據總線傳送的輪載信號完成飛機所處位置判斷，同時開始BIT維護工作。在這一過程中，其將完成輸入及輸出電流和電壓平均值的檢測，并判斷變換器是否存在故障。一旦發現故障，保護器將立即上報故障代碼，并完成參數瞬時值和散熱器環控溫度循環采集，然后通過計算效率、溫升、脈動量和控制移相角完成變換器故障的判斷。最后，保護器會將分析結果和變量數據傳送至上位機。從軟件運行角度來看，在保護器軟件啟動后，保護器在接收到BIT指令后會根據總線傳送的輪載信號為BIT工作提供維護，并將結果傳回飛機管理系統。完成BIT維護后，保護器將重新回到正常工作模式。

在變換器加電或重啟后，需先進行初始化模塊的執行，并在自檢后進入循環保護模式。在保護模式中，保護器將按照一定要求和順序完成采樣校正函數、故障保護函數和維護BIT函數的調用。在這一過程中，如果出現總線中斷問題，當前運行模塊將被掛起，保護器會開始執行中斷響應模塊，通過設置標志位通知循環執行模塊完成總線數據的處理。中斷返回后，先前掛起的模塊將得到恢復，保護器會繼續執行之前的程序。而根據解析得到的不同指令，保護器將利用解析指令模塊完成控制數據模塊和本地時間更新模塊的調用。當保護器處在工作模式，如果3個輪載信號中有至少2個信號有效，保護器就會進入維護模式，并直至維護結束后才恢復為工作模式。為防止系統出錯，軟件每隔10ms就會提供一次喂狗脈沖[5]。如果看門狗在1.6s內未得到脈沖，就會產生輸出脈沖使DSP復位，系統則會進入維護模式。

2.4調試改進

在進行保護器調試時發現，為變換器提供28V直流電后，再進行270V直流電提供的瞬間，限流電路中的熱敏電阻會被燒壞。分析故障產生原因可以發現，提供270V電的一瞬間，DSP將受到干擾，以至于將導致看門狗復位。此時，DSP將提供較高使能信號，但控制預穩壓電路已經輸出了最大占空比。在這種情況下，270V電壓降直接加在熱敏電阻兩端，從而導致熱敏電阻燒毀。針對這一問題，還需進行保護軟件程序更改，即將保護器輸出設定為低電平有效，確保控制電路在預穩壓電路使能信號為低時進行波形輸出。在預穩壓控制電路供電方面，需利用輔助電源產生的12V直流電供電，以防軟件輸出不正常。經過改進后再次進行保護器調試，發現保護器并未出現熱敏電阻燒壞的問題，可以滿足二次電源的實時控制和保護需求。

3結論

通過研究可以發現，在航空二次電源上應用數字式控制保護器，能夠使飛機電源系統的可靠性和性能得到提高。相較于模擬電路，設計的數字式控制保護器的重量和體積均比較小，能夠滿航空領域的需求。因此，相信本文對航空二次電源數字式控制保護器設計問題展開的研究，可以為相關工作的開展帶來啟示。

參考文獻：

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[5]張曉斌.智能低壓綜合保護器功能與網絡應用分析[J].中國石油和化工標準與質量,2011（5）:85-86.

[6]陳元棟,曾建輝.三相過電壓保護器間隙電流和持續時間的測量[J].電世界,2012（12）:46-48.

作者：馮非，董凱，程蘇 單位：中航工業西安航空計算技術研究所