一种基于容错的ELMC控制系统设计

单河坤 袁旺 张志林 钱燕娟

摘  要：飞机电气负载管理中心（ELMC）是执行飞机用电负载通断和状态采集的核心部件，由于飞机负载特性复杂、重要度高，为提高飞机配电系统的可靠性，解决单点故障引起的飞机负载无法正常工作，避免一旦发生故障就导致ELMC所有控制负载均失去控制的情况发生，设计了一种基于容错的飞机电气负载管理中心控制系统，从供电容错、通信容错、SSPC控制容错等方面研究ELMC控制系统的容错设计，提高了飞机配电系统的可用度。

关键词：电气负载管理中心;固态功率控制器;容错

中图分类号：V242    文獻标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

随着飞机性能的日益提高，国内新一代飞机已逐步实现多电化，并向全电化方向发展^[1]。飞机全电化对配电系统的性能及可靠性要求越来越高，通过采用    分布式固态配电装置，实现了就近分布式配电、负载自动管理以及故障隔离，搭建了飞机电气系统的综合控制和管理，提高了飞机配电系统的容错能力和可靠性。本文主要研究飞机电气负载管理中心的容错控制系统。

与传统的继电器和断路器相比，基于固态功率控制器的电气负载管理中心具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、寿命长等优点，但为了提高产品的任务可靠性，避免单点故障引起的电气负载管理中心崩溃，从而导致飞机负载无法正常工作，设计了基于容错的控制系统，本文从供电容错、通信容错、SSPC控制容错等方面研究ELMC控制系统的容错设计。

1总体方案

一个基于容错的电气综合管理中心由电源板、主控板、SSPC板组成。电源板主要实现信号隔离防雷、电源隔离转换，向产品内部各功能模块提高余度电源;主控板完成外部通信的收发及处理，并与内部SSPC板进行通信交联;SSPC板包括多路高密度数字式直流SSPC通道以及控制部分。其功能架构框图如图1所示。

如图1所示，为避免单点故障引起的系统任务可靠性降低，基于容错的ELMC控制系统采用双路电源模块实现供电容错设计;外部总线采用GJB289A和ARINC825双余度设计，确保与飞控计算机保持通信;主控板与各SSPC板通信的内部总线采用CAN和RS485互为余度设计;此外，当系统出现双路外部总线或双路内部总线失效等严重故障时，飞控系统能通过硬线控制信号直接控制SSPC通道，做到SSPC控制余度，保证飞机飞行安全^[2]。

2供电容错设计

2.1主电源供电容错设计

如图2所示，28V汇流条1经过雷电防护处理、滤波、DC/DC转换电路后生成内部电源5V1;同样28V汇流条2经过处理后生成内部电源5V2。5V1和5V2经过“或”处理模块后再利用保险丝隔离输出给不同的功能电路模块，如图中5VA、5VB、5VC、5VD所示，给产品各个不同的功能电路模块供电，任一功能电路的电源故障不会影响其他功能电路，保证各功能电路模块的供电相互独立，实现内部电源的供电隔离容错设计，保证了内部电源不存在单点故障。

此外，从图2中可以看出，内部两路5V电源的硬件电路物理隔离，任一路5V电源的故障不影响另一路电源的正常工作，从而保证任一路外部28V汇流条电源输入时ELMC均能正常通讯，并且与其对应的SSPC通道能被正常控制配电输出，实现了外部28V汇流条供电容错的设计，保证了外部电源不存在单点故障。

2.2 SSPC供电容错设计

固态功率控制器（SSPC）是ELMC系统的核心部件，是执行飞机各个负载通断控制的关键机构，因此SSPC的供电需具备容错隔离功能。

如图3所示，各个SSPC通道的5V输入经过电源隔离模块隔离后再转换成SSPC通道控制电路需要各类内部电源。各SSPC模块采用隔离供电，可以保证各个SSPC通道之间相互独立。同时，隔离电源隔离模块具有短路保护功能，当输出端电路短路时，电源隔离模块自动关断电源输出，不会影响前端输入的5V电源。所以单个SSPC的故障不会引起其它通道故障，故障不会扩大化，实现容错隔离功能。

3通信容错设计

如图4所示，与飞控计算机通讯的外部双余度总线采用GJB289A和ARINC825非相似双余度总线，飞控计算机通过GJB289A总线与处理器1通信，通过 ARINC825总线与处理器2通信，两路总线采用独立的接口处理，独立的处理器实现指令解析，任一路通讯失效，不影响指令、信息的传输。

产品内部采用CAN和RS485双余度内部总线架构实现数据通讯，SSPC板处理器DSP通过CAN总线与主控板处理器交联，SSPC管理模块CPLD通过RS485与主控板交联。当SSPC板处理器DSP或CAN总线故障时，仍可由CPLD通过RS485通讯上报负载开关状态。RS485通信作为CAN通信的热备份，当SSPC管理模块失效或CAN总线失效时，仍能通过CPLD将SSPC控制模块状态上报给主控模块。

4 SSPC控制容错设计

4.1 SSPC通道余度设计

针对机上重要关键类负载，采用双余度SSPC通道进行“或”输入处理后控制同一重要负载，如图5所示，两个SSPC通道分配在不同的SSPC板卡，输出用不同电连接器，避免产品单个器件失效导致飞机重要负载掉电，从而影响飞行安全。

4.2 控制方式余度设计

应急控制信号经过调理后直接接入SSPC模块，即使产品所有外部总线失效或者主控模块双CPU故障，系统仍能通过应急控制信号操控负载通断。另外，进入各SSPC模块的应急控制信号均做相应隔离处理，避免一处信号短路影响其他模块正常工作。

5结语

为解决飞机配电系统中单点故障引起的配电系统瘫痪，提高飞机配电系统的可靠性，设计了一种基于容错的飞机电气负载管理中心控制系统，从供电容错、通信容错、SSPC控制容错等方面研究ELMC控制系统的容错设计，其实质是利用多余的资源来换取整机任务可靠性的提高，确保在系统出现一个故障时，通过自动检测与诊断，自动隔离故障子系统，并切换到其备份子系统，保持系统继续正常运行，使系统达到“一次故障安全”的可靠等级，提高了飞机配电系统的可用度。

参考文献

吴秀杰，江鹏，杨彬彬，等.基于多电飞机概念下的飞机电气发展方向[J].电子世界，2014，13（2）：01-01.

万波，吴伟固.飞机固态二次配电装置SPDA的余度设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：128-131.

收稿日期：2019-06-27

作者简介：单河坤（1986—），男，汉族，江苏如东人，硕士，工程师，研究方向：固态功率控制器的应用;袁旺（1966—），男，汉族，上海人，本科，研究员，研究方向：飞机电气系统;张志林（1982—），男，汉族，江苏如皋人，硕士，高级工程师，研究方向：飞机智能配电系统;钱燕娟（1982—），女，汉族，江苏江阴人，硕士，高级工程师，研究方向：现代电力电子技术。