飛機(jī)機(jī)翼電熱除冰控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 斌，於二軍，滕國飛，禹 勇

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí)，飛機(jī)表面各個(gè)部位都會不同程度地發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰后不僅會增加飛機(jī)的重量，也改變了飛機(jī)的氣動外形，影響氣流的流動情況，造成阻力增大，升力減小，操縱性、穩(wěn)定性嚴(yán)重惡化，并最終對飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。

現(xiàn)有的防除冰技術(shù)根據(jù)防除冰形式的不同分為：熱力防除冰、液體防除冰、機(jī)械式除冰及其記憶合金除冰、防水涂層等其他防除冰形式[2]。隨著全電飛機(jī)的發(fā)展，電能將是飛機(jī)防除冰的主要能源輸入，電熱防除冰是指利用電阻發(fā)熱升溫防止飛機(jī)表面結(jié)冰。電熱防除冰以其具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、能耗少、效率高及維修方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，是一種極具發(fā)展前途的飛機(jī)防除冰方式。本文提出一種雙余度電熱除冰控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)對機(jī)翼除冰進(jìn)行控制和監(jiān)控的控制器和電源配電盒的綜合處理系統(tǒng)，通過運(yùn)行加載于控制器的防除冰控制解算軟件，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)機(jī)翼的自動除冰控制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高任務(wù)可靠性，飛機(jī)機(jī)翼除冰控制系統(tǒng)一般為雙余度設(shè)計(jì)。飛機(jī)機(jī)翼除冰控制系統(tǒng)的主要功能是對飛機(jī)除冰系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制、管理和故障監(jiān)控，其工作原理是從飛機(jī)結(jié)冰探測器讀取結(jié)冰數(shù)據(jù)信號，通過對控制率計(jì)算得出控制響應(yīng)，并將響應(yīng)發(fā)送給配電盒對除冰加熱負(fù)載進(jìn)行配電。

某飛機(jī)機(jī)翼除冰控制系統(tǒng)單架飛機(jī)配置兩臺控制器、四臺配電盒以及十組阻性負(fù)載。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)翼除冰系統(tǒng)架構(gòu)圖

當(dāng)接收到除冰啟動信號后，左機(jī)翼控制器通過左1配電盒和右1配電盒分別對左右機(jī)翼加熱負(fù)載進(jìn)行配電控制，右機(jī)翼控制器通過左2配電盒和右2配電盒分別對左右機(jī)翼加熱負(fù)載進(jìn)行配電控制，同時(shí)接收配電盒的配電電流反饋信號和配電狀態(tài)反饋信號。左右控制器通過主輔信號來確定初始狀態(tài)主從機(jī)，并通過HB6096總線實(shí)現(xiàn)信息交互共享，一個(gè)余度失效后，備份余度接管任務(wù)。兩臺控制器分別通過28 V/開信號將失效信息上報(bào)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)(DAP)和中央告警系統(tǒng)(CWS)，同時(shí)通過HB6096總線向數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)上報(bào)控制器運(yùn)行和故障狀態(tài)信息。

配電盒輸入1路三相115 V/400 Hz供電，輸出5路三相115 V/400 Hz供電用于向加熱器提供電能。除冰系統(tǒng)工作時(shí)，有1路加熱器(熱刀)持續(xù)供電，其余4路供電采取輪詢方式工作。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)需求，雙余度控制器是除冰控制系統(tǒng)的核心部件，主要完成除冰任務(wù)的執(zhí)行、除冰控制率的解算以及系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控和上報(bào)?？刂破鲬?yīng)具有信息處理功能，能夠完成接口參數(shù)的采集和處理，并完成接口命令輸出功能。基于上述需求，控制器內(nèi)部功能可分解為數(shù)據(jù)處理模塊(DPM)和二次電源模塊(PSM)。

2.1.1 DPM模塊設(shè)計(jì)

DPM模塊包含控制器主處理器及功能電路，輸入輸出接口電路，總線通訊電路和狀態(tài)監(jiān)控電路等，主要完成信息處理、防冰控制率計(jì)算等功能。DPM模塊由ARM主控制器及外圍電路、FPGA邏輯電路、地/開離散量輸入電路、28 V/開離散量輸出驅(qū)動電路、HB6096總線接口電路、看門狗超時(shí)電路以及測試維護(hù)電路等，其功能框圖如圖2所示。

控制器選用專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM作為主處理器，可以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和控制。

FPGA邏輯電路實(shí)現(xiàn)了輸入輸出控制等功能，F(xiàn)PGA內(nèi)部提供雙端口與主處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

控制器使用復(fù)位芯片(看門狗功能)，通過CPU寫使能或禁止，外部看門狗超時(shí)發(fā)生后，F(xiàn)PGA進(jìn)行記錄后，觸發(fā)主控制器復(fù)位。

圖2 DPM模塊功能圖

控制器使用非易失存儲器(NVRAM)作為故障記錄芯片，主要存儲控制器的故障信息，同時(shí)存儲控制器的軟件、硬件版本、設(shè)備編號等信息。

控制器對外輸入輸出接口采用成熟電路，通過數(shù)據(jù)總線與主處理器及FPGA進(jìn)行交互。

RS232測試維護(hù)接口電路由協(xié)議處理UART和總線收發(fā)器組成，其功能是實(shí)現(xiàn)控制器的軟件加載及調(diào)試支持。

2.1.2 PSM模塊設(shè)計(jì)

PSM模塊完成二次電源變換和電源狀態(tài)監(jiān)控等功能。PSM模塊由飛機(jī)正常直流匯流條供電，PSM模塊提供控制器和配電盒需要的直流輸出電壓，保證電源的電壓穩(wěn)定度、負(fù)載穩(wěn)定度、紋波電壓的范圍和效率，還要具有過壓、過流和瞬間短路保護(hù)的功能，故障排除后輸出自動恢復(fù)正常工作。其功能框圖如圖3所示。

圖3 PSM模塊功能圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件駐留在主處理器ARM上，主要完成尾翼防冰系統(tǒng)配電盒的自動控制，余度設(shè)計(jì)，對控制器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并及時(shí)通過HB6096總線上傳故障告警信息及系統(tǒng)工作狀態(tài)信息。

根據(jù)機(jī)翼除冰分系統(tǒng)的功能需求，將軟件分為地面支持軟件和正常工作軟件。地面支持軟件用于軟件調(diào)試支持。正常工作軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件完成機(jī)翼除冰系統(tǒng)配電盒的配電控制率計(jì)算、余度設(shè)計(jì)，系統(tǒng)級的故障處理。系統(tǒng)軟件是應(yīng)用軟件運(yùn)行軟件平臺，系統(tǒng)軟件初始化控制器運(yùn)行的各種資源，提供各種電路驅(qū)動接口，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測控制器的運(yùn)行狀態(tài)并記錄故障信息?？刂破鬈浖軜?gòu)如圖4所示。

圖4 控制器軟件架構(gòu)圖

3 配電盒設(shè)計(jì)

配電盒是機(jī)翼電熱除冰系統(tǒng)加熱電源的供電設(shè)備，主要功能是將飛機(jī)匯流條上的三相115 V交流電傳輸?shù)脚潆娖骱图訜峤M件上。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，特別是上游供電的功能要求以及控制信號類型的要求不同，配電盒的電路設(shè)計(jì)與器件選擇也有所不同[3]。

本方案配電盒采用1路交流三相115 V/400 Hz輸入，內(nèi)部轉(zhuǎn)換為5路輸出。配電盒接收前端控制器指令進(jìn)行工作。

根據(jù)配電盒功能需求，配電盒內(nèi)主要由控制驅(qū)動電路、輸入總接觸器電路、配電開關(guān)電路和電流檢測功能電路組成。配電盒功能組成框圖如圖5所示。

圖5 配電盒功能圖

為了滿足自然散熱的要求，采用先進(jìn)的碳化硅器件作為配電開關(guān)的主要器件，其高耐熱性、低導(dǎo)通阻抗的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低導(dǎo)通狀態(tài)下的發(fā)熱損耗。

電流的檢測電路能夠?qū)崟r(shí)采集每相電流狀態(tài)，將電流信息輸出給控制器，由控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控電路狀態(tài)。同時(shí)控制器根據(jù)控制指令結(jié)合電流狀態(tài)信息能夠有效判斷配電盒的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并記錄。

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

機(jī)翼電熱除冰控制系統(tǒng)的雙余度設(shè)計(jì)，通過主備控制器間的信息共享，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部故障監(jiān)控的目標(biāo)，并通過對有效通道的選擇和切換，確保機(jī)翼電熱除冰控制系統(tǒng)的可靠性要求[4]。本系統(tǒng)采用較為完善的故障檢測機(jī)制，對于控制器而言，確定為主從機(jī)后，主機(jī)接口級、SRU級和LRU級BIT任意一級報(bào)故障，均會讓出主控權(quán)，配電盒狀態(tài)正常的情況下，隨相關(guān)控制器的控制指令進(jìn)行余度切換。對于配電盒而言，其關(guān)鍵在于電流檢測，過流和短路發(fā)生后，通過電流反饋信號上報(bào)控制器，由控制器決策主從切換及相應(yīng)輸出電壓的關(guān)斷。當(dāng)檢測到某輸出通路由于加熱負(fù)載原因出現(xiàn)斷相或者短路故障時(shí)，控制器控制配電盒關(guān)閉所有通路供電，防除冰系統(tǒng)停止工作。

5 結(jié)束語

本文針對飛機(jī)機(jī)翼除冰系統(tǒng)的需求，提出了一種電熱除冰控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過對系統(tǒng)架構(gòu)、控制器、配電盒的設(shè)計(jì)分析，得出該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)翼自動除冰控制，同時(shí)可以滿足系統(tǒng)的任務(wù)可靠性要求。該設(shè)計(jì)具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 周莉，徐浩軍，龔勝科，等.飛機(jī)結(jié)冰特性及防除冰技術(shù)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010(6)：105-110.

[2] 何舟東，朱永峰，周景鋒.飛機(jī)電脈沖除冰技術(shù)探討[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30(2)：38-45.

[3] 吳文濤.直升機(jī)防除冰配電盒的電路設(shè)計(jì)[J].直升機(jī)技術(shù)，2015(2)：24-28.

[4] 於二軍，吳斌，李林，等.機(jī)載機(jī)電管理計(jì)算機(jī)雙余度設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2012(12)：88-90.