通用可配置电子部件的制作方法
【专利说明】通用可配置电子部件
[0001]本发明涉及一种可配置的通用电气构件，包括用于执行至少一个配置的功能以便生成用于至少一件电气设备的输出信号的处理器装置。
[0002]发明背景
[0003]飞机的不断“更电子化的”发展构成了航空工业所承担的研宄和创新政策的主要挑战之一。与机械能、水力能或风能相比，电能提供了许多优点，包括提高的装备集成、降低的维护成本、简化的使用、降低的重量等等。
[0004]主要的民用或军用项目为引入用来用电气系统代替常规系统的技术变革带来了机会。在最显著的变革中，可提及在空客A320上引入电气“电传操纵”控制、在空客A380上引入电气推力反转、在波音787上引入电气制动等。
[0005]电气系统的发展已导致机电致动器数量的大量增加，为了运转，机电致动器尤其需要控制构件和功率变换器构件。控制构件被用来根据设定点以及各种各样的测量(转子位置、角速度等)来控制与机电致动器的电动机相关联的逆变器。功率变换器构件被用来将直流(DC)电源电压(如28伏特)或交流(AC)电源电压(如115/230伏特-400赫兹)输送给各件电气设备。那些控制和变换器构件一般利用伺服控制，从而使得有必要使用用于感测线或角位置、速度、电流、电压等的传感器获取测量值。
[0006]每个应用要求控制和功率变换构件具有取决于该应用的特定特征(生成用于输出电压的控制律、值或频率，等等)。因此对于每个新的应用来说有必要制造新的设备件，这代表了在开发、认证、以及制造那些设备件方面的高成本，并导致关于这样的新设备在安全性和可靠性方面的性能的不确定性。
[0007]发明目的
[0008]本发明的目的是减少开发电气系统所要求的成本和时间，同时提高它们的可靠性。
【发明内容】
[0009]为了实现该目的，本发明建议了一种可配置的通用电气构件，包括用于执行至少一个配置的功能以便生成用于至少一件电气设备的输出信号的处理器装置。根据本发明，所述处理器装置包括在其中实现各功能块的快速处理器单元和慢速处理器单元，这些块被分别安排来执行相对快速操作和相对慢速操作。所述功能块是独立的且可参数化的，并且所述处理器单元是可配置的来以执行所述配置的功能的方式来选择性地对所述功能块进行参数化和互连。
[0010]由此有可能仅仅通过重新配置处理器单元，使用早已开发的、合格的以及认证的电气构件来实现新的功能。这使得以下成为可能:减少设计成本，因为早已被作出的功能块被重新使用；减少与证实、验证和认证的活动相关联的成本，因为对于新功能来说，这些活动仅涉及新的参数设定和新的互连；以及减少关于设备的性能的不确定性，因为处理器单元以及功能块的性能早已被测试。
[0011]根据以下对本发明的具体的非限制性实施例的描述，能够更好地理解本发明。
[0012]附图简述
[0013]参照附图，其中:
[0014].图1是本发明的可配置的通用电气构件的图示；
[0015].图2示出以本发明的电气构件的FPGA和微控制器实现的功能块；
[0016].图3示出相同的块按被使用时的功能来组织；
[0017].图4示出用于执行控制机电致动器的电动机的功能的功能块的安排；以及
[0018].图5示出用于执行执行DC/DC电压变换的功能的功能块的安排。
[0019]本发明的详细描述
[0020]参考图1，本发明的可配置的通用电气构件I包括其中安装了至少一个电路板3的单元2。电路板3具有电气组件，包括现场可编程门阵列(FPGA)4(具有连接到结合在该FPGA中的非易失性存储器6的随机存取存储器(RAM)空间5)、具有处理器80和非易失性存储器区23的微控制器7、电源模块8、时钟组件9，10、通信接口组件11、以及模拟采集接口组件12。
[0021]电路板3的电源模块8连接到外部电源13，并且被安排成通过提供一个或多个适当的电源电压来向电路板3的各组件供电。时钟组件9，10包括两个晶体振荡器14，15，其中的一个14向FPGA 4提供稳定的时钟信号，其中的另一个15向微控制器7提供稳定的时钟信号。尤其包括用于例如ARINC429型连接或任何其他类型的连接的收发机组件16的通信接口组件11被用于整形在FPGA4、微控制器7以及位于电气构件I的外部的第一设备组17之间交换的数字信号。至少包括模拟数字转换器18的模拟采集接口组件12被安排成使得FPGA 4和微控制器7能够获得由连接到第二外部设备组20的一组外部传感器19采集的测量值，或者能够获得直接来自第二外部设备组20的模拟信号(电压、电流)。
[0022]本发明的电气构件I可被配置成执行监控/控制功能(例如控制机电致动器的电动机的功能)或用于将DC电压或AC电压转换成DC或AC电压的功率变换功能(从而可能执行 DC/DC、DC/AC、AC/AC 或 AC/DC 转换)。
[0023]出于此目的，各功能块(示于图2)被实现在FPGA 4和微控制器7中。术语“被实现”用于意指这些功能块由安排在与FPGA和微控制器相关联的存储器区中的程序代码编码，所述代码由FPGA以及微控制器的处理器80执行以便执行操作。对于FPGA，执行在于装配个体逻辑单元来组装好，从而在于物理上植入逻辑功能。对于微控制器，操作是通过在不变的硬件架构内执行软件指令来执行的。
[0024]每个功能块被设计成执行一操作。这些功能块是独立的，即它们不需要与其他块相关联就能执行它们被设计用于的操作。此外，这些块是可参数化的，即有可能适配它们执行的操作来匹配预期功能，例如通过改变关于阈值、输出电压、频率等的值。
[0025]作为示例，功能块包括用于执行相对慢速且被实现在微控制器7中的操作的功能块的集合22、以及用于执行相对快速且被实现在FPGA 4中的操作的功能块的集合21。可编程逻辑电路使得更快速地执行操作成为可能，因为它们的由可互连的个体逻辑单元构成的结构使得首先获得非常短的信号传播时间、其次并行地执行多个个体操作成为可能。
[0026]FPGA 4的非参数化的功能块21被存储在FPGA的内部非易失性存储器6中。微控制器7的非参数化的功能块被存储在微控制器7的非易失性存储器区23中。为了定义电气构件I执行的功能，用户必须将由软件指令序列构成的配置程序输入到微控制器7的非易失性存储器区23中。该配置程序的目的是将微控制器7的功能块22参数化(即设置其参数)，加载FPGA 4的RAM空间5中的参数化序列以便对FPGA 4的功能块21参数化，以及将FPGA 4以及微控制器7的参数化的功能块21，22互连，以便执行构成所希望的功能的慢速和快速操作。
[0027]实现在FPGA 4中的功能块21包括:
[0028].电流保护块23、电压保护块24、温度保护块25以及力保护块26，它们以已知的方式被安排来保护电气构件或外部传感器或设备不受这些参数的过度水平的影响；
[0029].制动斩波器块27，它被安排成在对电动机制动的同时耗散能量；
[0030].计算块28，它被安排成根据传感器所提供的且代表所述参数的电流或电压来推导出测得的参数值；
[0031].脉宽调制(PWM)发生器块29，它被安排成生成用于控制电动机逆变器的具有可变占空比的信号；
[0032]?参考系变换器块30，取决于被参数化的方式，它被安排成从与电动机的定子相关联的静止参考系变换到与电机的转子相关联的旋转参考系或反之亦然，或者从三相参考系变换到二相参考系或反之亦然；以及
[0033].电流控制块31、电压控制块32以及功率控制块33，基于电流、电压或功率设定点，它们被安排成提供用于控制电流、电压或功率的命令。
[0034]实现在微控制器7中的功能块22包括:
[0035].位置控制块36，它被安排成根据位置设定点以及电机的转子的实际位置来为电动机提供速度设定点；
[0036].速度控制块37，它被安排成根据速度设定点以及电机的转子的实际速度来提供驱动转矩设定点；
[0037].电流律块38，它被安排成基于任何设定点来提供电流命令；
[0038]?模式管理器块39，它被安排成管理一件设备的不同模式，如停止、或以标称模式、降级模式或维护模式等来操作；
[0039].通信管理器块40，它被安排成组织微控制器和外部设备或电气构件的某个其他组件之间的数据交换；以及
[0040].监控器块41，它被安排成分析各种信号以及检测电