一种顺桨控制装置的制作方法

1.本发明属于航空技术领域，具体涉及一种顺桨控制装置。


背景技术：

2.发动机顺桨系统主要由顺桨继电器盒、ds-9顺桨定时机构、cb-38a顺桨泵、an-12人工顺桨按钮、发动机附件及检查开关组成。
3.顺桨继电器盒实现整个顺桨系统的逻辑控制，内部集中安装了继电器和接触器，通过多个继电器的闭锁关系搭接控制电路，在接收到故障信号或控制信号后控制接触器接通，使顺桨泵工作，实现螺旋桨顺桨、发动机停车等功能。
4.ds-9自动顺桨定时机构与顺桨继电器盒配合使用，在接收到顺桨继电器盒或人工顺桨按钮发出的信号后利用自带电动机带动凸轮机构工作，控制2个终点开关的接通、断开，从而控制顺桨泵的工作时间。
5.原顺桨继电器盒内部导线与盒体靠磨容易导致继电器误动作；ds-9顺桨定时机构在使用过程中存在电动机碳刷磨损导致机构不工作、终点开关触点粘连的缺陷，使用寿命和可靠不高的问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种顺桨控制装置，解决原顺桨继电器盒存在继电器容易误动作、使用寿命和可靠不高的问题。
7.本发明提供一种顺桨控制装置，包括：电源板组件、控制板组件以及接触器；所述控制板组件包括：互为热备份的主控制电路和备控制电路；
8.电源板组件用于向控制板组件供电；
9.控制板组件和接触器连接，接触器与顺桨泵连接；控制板组件用于控制接触器的通断；
10.控制板组件用于接收离散量信息，根据离散量信息向接触器发送控制指令，控制接触器的通断，实现螺旋桨顺桨，还用于向发动机附件发送控制指令，控制发动机停车；离散量信息包括：人工控制指令和顺桨系统的发动机附件发送的状态信息。
11.可选的，主控制电路包括：arm单片机、rs422总线接口；备控制电路包括：fpga和rs422总线接口；
12.主控制电路和备控制电路通过各自的rs422总线接口通信；
13.fpga用于，采集arm单片机的自检状态信息和心跳脉冲信号，根据fpga的自检状态信息、arm单片机的自检状态信息和arm单片机的心跳脉冲信号判断fpga和arm单片机各自的状态，进行主控制电路和备控制电路的切换控制；
14.arm单片机用于，向fpga发送自身的自检状态信息和心跳脉冲信号。
15.可选的，主控制电路和备控制电路均还包括：光耦隔离模块；
16.光耦隔离模块用于，接收离散量信息，并发送至fpga或arm单片机。
17.可选的，主控制电路和备控制电路均还包括：存储器；
18.arm单片机用于，将输入和输出离散量控制信号工作日志、自身自检状态发送至连接的存储器进行存储；
19.fpga用于，将输入和输出离散量控制信号工作日志、arm单片机的自检状态、自身自检状态发送至连接的存储器进行存储。
20.可选的，主控制电路和备控制电路均还包括：隔离驱动模块和固态开关电路；
21.隔离驱动模块和控制板组件连接，用于接收控制板组件生成的发动机附件的控制指令；隔离驱动模块包括：光耦和驱动器；光耦、驱动器和固态开关电路依次连接；
22.光耦用于，将控制板组件生成的发动机附件的控制指令隔离后通过驱动器控制固态开关电路动作，实现固态开关电路所在的线路通断控制；
23.光耦还用于，将控制板组件生成的接触器的控制指令隔离后控制接触器的开关；
24.主、备控制器的隔离驱动电路同时控制着1路接触器控制指令的输出，通过继电器触点进行输出来提高控制接触器线圈的驱动能力。
25.可选的，电源板组件包括两个互为热备份的电源电路；
26.每个电源电路均包括：滤波浪涌电路和电压转换电路；两个电源电路共用一个防雷电路；
27.电源电路用于将飞机上的28v直流电源经过防雷电路、滤波浪涌电路、和电压转换电路转换为控制板组件所需的5v直流电压。
28.可选的，电源电路还包括：储能电路；
29.储能电路连接滤波浪涌电路和电压转换电路；
30.储能电路用于，在供电正常时进行储能，在供电异常时提供紧急供电。
31.可选的，防雷电路用于对飞机上的28v直流电源进行雷电防护；
32.防雷电路还用于对控制板组件的输入输出信号进行雷电防护。
33.本发明提供了一种顺桨控制装置，通过双余度设计可有效提高产品可靠性，降低故障率，减小体积和重量，同时还具有故障提示功能和数据存储功能，在出现故障时，可通过数据存储功能并结合飞参对顺桨控制装置的状态对故障进行定位和分析，有效提升了系统的可靠性和维修性。
附图说明
34.图1为顺桨控制装置与顺桨系统交联关系图；
35.图2为电源板组件原理框图；
36.图3为控制板组件原理框图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明提供的基于数字化设计的顺桨控制装置进行详细说明。
38.本发明提供一种顺桨控制装置，实现飞机上的发动机的各种顺桨功能。示例性的，当飞机上配置4台发动机时，全机配置4件顺桨控制装置，分别实现4台发动机的各种顺桨功能。顺桨控制装置与顺桨系统的交联关系如图1所示。
39.本发明提供的顺桨控制装置包括：电源板组件、控制板组件以及接触器。
40.为提高产品可靠性，电源板组件和控制板组件均采用双余度设计。
41.本发明为提升供电可靠性，电源板组件设计了两组互为备份的电源电路，电源板组件电路原理框图见图2。任一路故障后仍可保障产品的正常工作；电源电路包括防雷、滤波浪涌、储能和电压转换电路。
42.外部输入的28v直流电源经过防雷电路、滤波浪涌电路、和电源转换等电路将输入的28v直流电源转换为5v工作电压。滤波浪涌电路和电源转换电路将产品的工作电源与外部提供的源进行隔离，可有效抑制通过电源进入的尖峰干扰。
43.a)浪涌滤波模块
44.浪涌滤波模块输入电压：0～100v，噪声抑制能力：500khz时可达40db，满足产品电磁兼容技术指标和gjb151b-2013的相关要求；
45.浪涌模块输入电压(瞬态，≥50ms)：80v，满足产品电源特性gjb181对b类用电设备电压浪涌的相关要求。
46.b)储能电路
47.储能电路以储能电容为核心，保证了产品在50ms欠压和掉电工作时产品能够正常工作；同时，在储能电容正端设计慢充快放电路，保证产品上电时启动电流不至于过大。
48.c)电源转换电路
49.电源转换电路将28vdc电源转换为5vdc工作电源，选用了高可靠dc/dc转换器可以在9v～36v输入电压下工作，满足产品输入电压16-32v的要求。
50.d)防雷电路
51.在电源板连接器上布置防雷电路用于对连接器的外部输入输出信号进行雷电防护，当信号线路上遭受雷电间接效应干扰产生暂态过电压脉冲和暂态过电流脉冲时，防雷电路通过接地端迅速泄放雷电瞬时过电流，再通过内部防雷器件限制过电压，将雷电间接效应能量控制下来，保护后级电路不受损害。
52.防雷电路设计有三级防护电路。
53.第一级防护主要是限制过电压和泄放过电流，选用放电管作为防护器件。放电管间绝缘电阻大(≥1000mω)、寄生电容小(≤0.5pf)，对高频信号无影响、响应时间较快(约2us)、通流能力强(约10ka)、耐压范围宽(75v～3500v，8/20us波形)的特点，适合第一级防护。
54.第二级防护主要进一步限制过电压和泄放过电流，选用tvs二极管作为防护器件。tvs二极管响应时间快(约500ns)、瞬态功率大(5kw)、寄生电容小(10pf～10000pf)，适合第二级防护。
55.限流电路采用瞬时大功率、阻值合适(根据实际防护信号的信号特性决定)的抗浪涌电阻串联于电路中，同时，为了抑制信号线和小功率电源线的高频噪声和尖峰干扰，将磁珠串联于抗浪涌电阻后端，进一步减小雷电及电磁脉冲干扰，将残余能量控制到最低。限流电路主要用于通信信号的第三级防护。
56.控制板组件电路原理框图见图3，本发明提供的控制板组件包括：主控制电路和备控制电路。每个控制板均包括：处理器模块、光耦隔离模块、存储器、隔离驱动模块、rs422总线接口以及固态开关等功能电路。
57.控制电路是整个顺桨系统的控制核心，因此采用非相似双余度设计，避免电路共
模故障，提高电路可靠度。处理器模块采用硬件采集+软件控制的思路，双余度设计通过arm单片机+fpga的方式实现。
58.arm单片机用于离散量信号采集和离散量信号输出、数据的转发及rs422通讯等，具体工作内容包括：向fpga输出自身的自检状态信息和心跳脉冲信号，并接收使能信号；为fpga提供通讯路径，进行数据交互。
59.fpga用于余度管理、切换控制、数据转发以及离散量采集和离散量控制输出，fpga具体工作内容包括：采集单片机的自检状态信息和心跳脉冲信号，根据处理器自检状态和心跳脉冲信号判断处理器状态，并输出使能信号，完成处理器状态监控和切换控制；与单片机通过rs422总线接口进行数据交互。
60.本发明提供的顺桨控制装置控制板组件的主备份软件的各个功能模块均采用模块化设计，与原顺桨继电器盒相比可有效避免因某个继电器出现故障而导致多个顺桨功能的丧失。
61.各个顺桨功能的实现采用模块化设计的思想，将控制板组件主、备份中的扭矩自动顺桨、负拉力自动顺桨和人工顺桨的功能软件逻辑模块独立编写，各个功能逻辑之间无共用部分，从而保证如果某个单一功能失效或发生故障而不影响其他功能的实现。
62.本发明提供的顺桨控制装置采用数字电路设计，可有效避免原顺桨继电器盒存在的继电器粘连、导线靠磨的问题，同时加入定时功能取代原ds-9顺桨定时机构，可有效降低故障率，减轻重量。
63.电源板组件和控制板组件均进行了双余度设计，电源板组件通过滤波浪涌电路设计、储能电路设计、电源转换电路设计、防雷电路设计，控制板组件通过光耦隔离电路设计、存储电路设计、隔离驱动电路设计等一系列滤波措施，可有效防止顺桨系统因受到外界干扰而导致的非指令性顺桨。
64.为保证大功率信号不影响到控制电路，新研顺桨控制装置采用双舱设计，在壳体内增加一个分区，将印制板装进封闭的区域中，与大功率信号(接触器)隔离开，能够有效避免信号间的互相干扰；同时对产品壳体进行密封处理，大幅度提高产品耐三防环境的能力。由于顺桨控制装置安装位置与发动机处于同一平面，故结构件设计和元器件的安装充分考虑强度和所有连接的可靠性，满足振动、冲击和加速度的相关要求。
65.电源板组件电路原理框图见图2。
66.为提升供电可靠性，电源板组件设计了两组互为备份的电源电路，任一路故障后仍可保障产品的正常工作；电源电路包括防雷、滤波浪涌、储能和电压转换电路。
67.电路主要功能是接收外部输入的离散量控制指令，对控制指令进行隔离采集并根据相应控制逻辑输出控制信号，通过隔离驱动模块控制固态开关完成离散量控制信号的输出。同时对输入、输出离散量信号进行数据记录，并可通过rs422总线从产品外部进行下载。
68.控制电路是整个产品的控制核心，因此采用非相似双余度设计，提高电路可靠度。根据各电路功能及同类螺旋桨防除冰产品设计经验，对控制电路的各部分功能模块进行冗余设计。
69.处理器模块采用arm单片机+fpga的方式实现。
70.fpga用于余度管理、切换控制、数据转发以及离散量采集和离散量控制输出，fpga具体工作内容包括：采集单片机的自检状态信息和心跳脉冲信号，根据处理器自检状态和
心跳脉冲信号判断处理器状态，并输出使能信号，完成处理器状态监控和切换控制；与单片机通过rs422总线接口进行数据交互。
71.arm单片机用于离散量信号采集和离散量信号输出、数据的转发及rs422通讯等，具体工作内容包括：向fpga输出自身的自检状态信息和心跳脉冲信号，并接收使能信号；为fpga提供通讯路径，进行数据交互。
72.arm单片机和fpga设计支持软件在线加载升级，其中：arm单片机的软件程序通过rs422总线直接加载升级；fpga的软件程序则通过jtag口进行加载升级；可通过外部的维护连接器完成相应的在线加载升级工作。
73.正常情况下，默认arm单片机为主控处理器，fpga为备用处理器。处理器模块工作原理及余度切换过程具体如下：
74.a)上电后，arm单片机和fpga进行初始化设置，完成后进行自检，自检内容包括光耦隔离电路自检、处理器自检、存储器自检和rs422总线。
75.b)自检结果正常，arm单片机向fpga发送自检正常状态信号，同时，arm单片机向fpga发送心跳脉冲信号(周期性离散量信号)；
76.c)fpga收到arm单片机的自检正常状态信号和心跳脉冲信号后判定arm单片机工作正常；
77.d)两个处理器工作均正常后，fpga向arm单片机发送工作使能信号，arm单片机作为主控处理器进行工作，对输入离散量采集处理后根据相应判别逻辑，输出控制指令完成控制功能；fpga呈热备份状态，只对输入离散量进行采集，不进行离散量输出的控制(只收不发)；
78.e)arm单片机和fpga通过rs422总线进行数据交互(交互数据内容为对方的自检信息，用于故障存储)，arm单片机将输入和输出离散量控制信号工作日志、自身自检状态发送至存储器进行存储；fpga将输入和输出离散量控制信号工作日志、arm单片机的自检状态、自身自检状态发送至存储器进行存储；
79.f)当在上电和工作过程中出现以下情况时，fpga关闭arm单片机的工作使能信号，arm单片机停止各控制信号的发送；此时，fpga作为主控处理器进行工作，对输入、输出离散量进行采集处理。
80.①
无自检正常状态信号或信号消失时；
81.②
无心跳脉冲信号或信号消失时。
82.处理器模块中的单片机和fpga均选用国产元器件。
83.e)隔离驱动电路设计
84.隔离驱动电路由光耦和驱动器组成；通断控制信号经光耦隔离后通过驱动器控制功率执行器件(如mos管)动作，实现线路通断控制。
85.主、备控制器的隔离驱动电路同时控制着1路接触器控制指令的输出，通过继电器触点进行输出来提高控制接触器线圈的驱动能力；主控制器、备控制器通过隔离驱动电路均可以单独控制继电器的接通与关断。
86.f)rs422通讯电路设计
87.通过外置rs422通讯芯片来实现与产品外的rs422通讯功能，主要用于采集数据的下载。
88.g)固态开关设计
89.固态开关在固态开关电路基础上，去掉微控制器和电流采集部分，保留驱动和功率部分。固态开关是“无触点”开关，采用功率mos管作为软开关，取代了常规配电系统中继电器、接触器等器件，而且在性能上大大优于这些传统的器件，它能快速的接通或断开电路而不产生电弧。由于内部没有活动部件，因此不会产生机械磨损，与常规功率开关器件相比，它具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高等优点。
90.h)电源转换电路设计
91.电路板组件还包括二次电源转换电路；二次电源转换电路分为a、b、c三部分：
92.电压转换电路a将5vdc电源转换为3.3vdc工作电源，供控制电路中arm单片机以及422通信芯片等器件使用；电压转换电路b将5vdc电源转换为2.5vdc工作电源，供控制电路中fpga的工作电压使用；电压转换电路c将5vdc电源转换为1.5vdc工作电源，作为控制电路中fpga的基准电压使用。
93.为使顺桨控制装置具有优良的供电兼容性，选用的dc/dc转换器为宽工作电压范围，宽工作温度范围，满足产品电路的使用要求。本方案中选用的电源模块均带导热垫片，完全可以保证器件与基板之间具有良好的绝缘性能并且散热良好。