КОНФИГУРИРУЕМЫЙ БАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
CONFIGURABLE BASIC ELECTRICAL ELEMENT FOR FORMING OUTPUT SIGNALS OF ELECTRICAL EQUIPMENT

Изобретение относится к конфигурируемому базовому электрическому элементу, содержащему средство процессора для выполнения по меньшей мере одной конфигурируемой функции с целью формирования выходных сигналов по меньшей мере для одного объекта электрического оборудования.
Уровень техники
Усиленное "электрическое" развитие воздушных судов составляет одну из главных проблем для исследования и инновационной политики, решаемых в авиационной отрасли. Электрическая энергия предлагает огромные преимущества по сравнению с такими видами энергии, как механическая, гидравлическая или пневматическая, в том числе, улучшенную интеграцию оборудования, пониженные эксплуатационные затраты, упрощенное использование, пониженный вес и т.д.
Основные гражданские или военные программы предоставляют возможности введения технологических изменений, служащих для замены традиционных систем электрическими системами. Среди наиболее выдающихся изменений следует упомянуть внедрение электрического управления "fly-by-wire" на борту Airbus А320, электрическое реверсирование двигательной установки на борту Airbus A380, электрическое торможение на борту Boeing 787 и т.д.
Развитие электрических систем привело к большому росту количества электромеханических приводов, требующих для своей работы, в частности, элементов управления и преобразователей энергии. Элементы управления используются для управления инверторами, связанными с электродвигателями электромеханических приводов, как функция установочных значений и множества результатов измерений (положение ротора, угловая скорость и т.д.). Преобразователи энергии используются для подачи напряжения питания постоянного тока (DC) (например, 28 вольт) или напряжения питания переменного тока (АС) (например, 115/230 вольт, 400 Гц) на объекты электрического оборудования. Эти элементы управления и преобразователи, в целом, используют сервоуправление, делая необходимым получение результатов измерений, используя датчики для считывания линейного или углового положения, скорости, тока, напряжения и т.д.
Каждое применение требует элементов управления и преобразователей энергии, имеющих определенные характеристики, которые зависят от применения (законов управления формированием, значений или частот выходных напряжений и т.д.). Поэтому для каждого нового применения необходимо создавать новые объекты оборудования, которые создают затраты, которые высоки в отношении разработки, сертификации и производства этих объектов оборудования и ведут к неопределенностям в отношении характеристик такого нового оборудования с точки зрения безопасности и надежности.
Задача изобретения
Задачей изобретения является снижение затрат и времени, требующихся для разработки электрических систем при повышении их надежности.
Сущность изобретения
Чтобы решить эту задачу, изобретение предлагает конфигурируемый базовый электрический элемент, содержащий процессорные средства для выполнения по меньшей мере одной конфигурируемой функции, чтобы сформировать выходные сигналы по меньшей мере для одного объекта электрического оборудования. В соответствии с изобретением процессорные средства содержат быстрый процессорный сегмент и медленный процессорный сегмент, в которых реализованы функциональные блоки, причем указанные блоки соответственно сконфигурированы с возможностью выполнять относительно быстрые операции и относительно медленные операции. Функциональные блоки являются независимыми и параметризованными, а процессорные сегменты конфигурированы с возможностью параметризации и выборочного соединения функциональных блоков таким образом, чтобы выполнялась указная конфигурируемая функция.
Таким образом можно использовать электрический элемент, который уже разработан, квалифицирован и сертифицирован, чтобы реализовывать новую функцию, просто переконфигурируя процессорные сегменты. Это делает возможным снизить затраты на проектирование, поскольку ранее созданные функциональные блоки используются повторно; снизить затраты, связанные с валидацией, верификацией и сертификацией, поскольку для новой функции эти действия связаны только с новыми установками параметров и новыми межсоединениями; и уменьшить неопределенность в отношении характеристик оборудования, поскольку характеристики процессорных сегментов и функциональных блоков уже протестированы.
Изобретение может быть лучше понято в свете последующего описания конкретных, но не создающих ограничений, вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Ссылка делается на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 - конфигурируемый базовый электрический элемент, соответствующий изобретению;
Фиг 2 - функциональные блоки, реализуемые в программируемой пользователем логической матрице (FPGA) и в микроконтроллере электрического элемента, соответствующего изобретению.
Фиг. 3 - те же блоки, организованные посредством функций, для которых они используются;
Фиг. 4 - схема расположения функциональных блоков для выполнения функции управления электродвигателем электромеханического привода; и
Фиг. 5 - схема расположения функциональных блоков для выполнения функции преобразования напряжения DC/DC.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 1, конфигурируемый базовый электрический элемент 1, соответствующий изобретению, содержит модуль 2, имеющий по меньшей мере одну вмонтированную в него печатную плату 3. Печатная плата 3 имеет электрические компоненты, включая программируемую пользователем логическую схему (FPGA) 4, имеющую область 5 оперативной памяти (RAM), соединенную с энергонезависимой памятью 6, включенной в FPGA, микроконтроллер 7, имеющий процессор 80 и зону 23 энергонезависимой памяти, секцию 8 источника электропитания, компоненты 9, 10 тактового генератора, компоненты 11 интерфейса связи и компоненты 12 интерфейса аналоговой регистрации.
Секция 8 источника электропитания печатной платы 3 соединена с внешним источником 13 электропитания и смонтирована с возможностью питания компонентов печатной платы 3 путем подачи одного или более соответствующих напряжений питания. Компоненты 9, 10 тактового генератора включают два кварцевых генератора 14, 15, один из которых, 14, обеспечивает стабилизированный тактовый сигнал для FPGA 4, а другой, 15, подает стабилизированный тактовый сигнал на микроконтроллер 7. Компоненты 11 интерфейса связи, которые включают, в частности, приемопередатчик 16 для связи, например, типа ARINC429 или любого другого типа связи, используются для формирования цифровых сигналов, которыми обмениваются FPGA 4, микроконтроллер 7 и первый комплект 17 оборудования, являющийся внешним по отношению к электрическому элементу 1. Компоненты 12 интерфейса аналоговой регистрации, которые включают по меньшей мере аналогово-цифровой преобразователь 18, предназначены для того, чтобы обеспечить для FPGA 4 и микроконтроллера 7 доступ к результатам измерений, полученным набором 19 внешних датчиков, соединенных со вторым комплектом 20 внешнего оборудования, или получать доступ к аналоговым сигналам (токам, напряжениям), поступающим непосредственно от второго комплекта 20 внешнего оборудования.
Электрический элемент 1, соответствующий изобретению, может быть выполнен с возможностью осуществлять функцию контроля/управления, например функцию управления электродвигателем электромеханического привода или функцию преобразования энергии, предназначенную для преобразования напряжения постоянного тока (DC) или переменного тока (АС) в напряжение постоянного тока или переменного тока (также возможно преобразование DC/DC, DC/AC, АС/АС или AC/DC).
Для этой цели функциональные блоки (показанные на фиг.2) реализуются в FPGA 4 и микроконтроллере 7. Термин "реализуется" используется для обозначения, что эти функциональные блоки кодируются с помощью программных кодов, расположенных в зонах памяти, связанных с FPGA и с микроконтроллером, причем код исполняется FPGA и процессором 80 микроконтроллера, чтобы выполнить операцию. Для FPGA выполнение состоит из ассемблирования образованных индивидуальных логических ячеек и, таким образом, физического имплантирования логической функции. Для микроконтроллера операция выполняется путем выполнения команд программного обеспечения внутри неизменяемой аппаратурной архитектуры.
Каждый функциональный блок спроектирован для выполнения операции. Эти функциональные блоки независимы, то есть они не нуждаются в связи с другими блоками, чтобы выполнять операцию, для которой предназначены. Дополнительно, эти блоки являются параметризованными, то есть возможно настроить операции, которые они выполняют, таким образом, чтобы они соответствовали предусмотренной функции, например, изменяя пороговые значения, выходные напряжения, частоты и т.п.
Например, функциональные блоки включают набор 22 функциональных блоков для выполнения операций, которые относительно медленные и которые осуществляются микроконтроллером 1, и набор 21 функциональных блоков для выполнения операций, которые относительно быстрые и которые осуществляются в FPGA 4. Программируемые логические схемы позволяют выполнять операции быстрее, поскольку их структура, образованная из соединяемых индивидуальных логических схем, дает возможность, во-первых, получать времена распространения сигналов, которые очень малые, и, во-вторых, выполнять множество индивидуальных операций параллельно.
Непараметризованные функциональные блоки 21 из FPGA 4 хранятся во внутренней энергонезависимой памяти 6 FPGA. Непараметризованные функциональные блоки микроконтроллера 7 хранятся в зоне 23 энергонезависимой памяти микроконтроллера 1. Чтобы определить функцию, выполняемую электрическим элементом 1, пользователь должен ввести программу конфигурации, составленную из последовательности команд программного обеспечения, в зону 23 энергонезависимой памяти микроконтроллера 7. Задача этой программы конфигурации состоит в параметризации (то есть установке параметров) функциональных блоков 22 микроконтроллера 7, загрузке параметризованной последовательности в область 5 RAM FPGA 4, чтобы параметризовать функциональные блоки 21 FPGA 4 и соединить между собой параметризованные функциональные блоки 21, 22 FPGA 4 и микроконтроллера 7, так чтобы выполнять медленные и быстрые операции, которые образуют необходимую функцию.
Функциональные блоки 21, реализуемые в FPGA 4, содержат:
- блок 23 защиты по току, блок 24 защиты по напряжению, блок 25 защиты по температуре и блок 26 защиты по усилию, выполненные известным образом с возможностью защиты электрического элемента, или внешних датчиков, или оборудования от чрезмерных уровней этих параметров;
- блок 27 тормозного прерывателя, выполненный с возможностью рассеивания энергии при торможении электродвигателя;
- блок 28 вычислений, выполненный с возможностью слежения за измеряемыми значениями параметров как функцией тока или напряжения, обеспечиваемой датчиками и представляющими параметрами;
- блок 29 формирования широтной импульсной модуляции (ШИМ), выполненный с возможностью формирования сигнала с переменной продолжительностью включения для управления инвертором электродвигателя;
- блок 30 преобразователя опорного кадра, который в зависимости от способа, которым он параметризуется, выполняется с возможностью преобразования из стационарного опорного кадра, связанного со статором электродвигателя, во вращающийся опорный кадр, связанный с ротором двигателя, или наоборот и из трехфазного опорного кадра в двухфазный опорный кадр или наоборот; и
- блок 31 управления током, блок 32 управления напряжением и блок 33 управления мощностью, выполненные с возможностью управления током, напряжением или мощностью по команде на основе заданной установки тока, напряжения или мощности.
Функциональные блоки 22, реализуемые в микроконтроллере 7, содержат:
- блок 36 управления положением, выполненный с возможностью установки значения скорости для электродвигателя как функции установочного значения положения и реального положения ротора двигателя;
- блок 37 управления скоростью, выполненный с возможностью установки значения вращающего момента привода как функции установочного значения скорости и реальной скорости ротора двигателя;
- блок 38 закона изменения тока, выполненный с возможностью подачи токовой команды на основе любого установочного значения;
- блок 39 управления режимом, выполненный с возможностью управления различными режимами объекта оборудования, такими как остановка или работа в номинальном режиме, в режиме ухудшенной работоспособности или в эксплуатационном режиме и т.д.;
- блок 40 управления связью, выполненный с возможностью организации обмена данными между микроконтроллером и внешним оборудованием или каким-либо другим компонентом электрического элемента; и
- блок 41 монитора, выполненный с возможностью анализа различных сигналов и обнаружения отклонения в работе компонента электрического элемента или внешних датчиков или оборудования.
Упомянутые блоки сами по себе хорошо известны.
На фиг. 3 те же самые функциональные блоки расположены таким образом, чтобы определять первый набор 45 блоков, которые могут использоваться, когда электрический элемент конфигурируется для выполнения функции управления двигателем, второй набор 46 блоков, которые могут использоваться, когда электрический элемент конфигурируется для выполнения функции преобразования энергии DC/AC или в качестве элемента управления двигателем, третий набор 47 для преобразования DC/DC или DC/AC, четвертый набор 48 для преобразования DC/DC и пятый набор 49 блоков для возможности пользования всеми этими функциями.
Далее приводится описание конкретной реализации функциональных блоков, показанных на фиг. 4, которая позволяет использовать электрический элемент 1 для управления бесщеточным синхронным электродвигателем 50 с постоянным магнитом электромеханического привода 51. Этот электромеханический привод 51 служит для линейного перемещения стержня 52 электромеханического запора. Этот тип запора может использоваться для запирания реверсивных механизмов тяги в полете, чтобы предотвратить их несвоевременное срабатывание.
Электрический элемент 1 управляется элементом 66 управления, чтобы управлять двигателем 50 и положением поршня 52 привода 51 как функцией установочного значения Spos положения, переданного микроконтроллеру 7 через компоненты 11 интерфейса связи и блок 40 управления связью. Электрический элемент также соединяется через компоненты 12 интерфейса аналоговой регистрации с инвертором 53, управляющим электродвигателем 50 и с датчиком 54 для считывания углового положения ротора электродвигателя 50, в частности датчика типа синусно-косинусного преобразователя, и с датчиком 55 для считывания линейного положения стержня 52. Инвертор 53 питается от источника 65 электропитания постоянного тока.
В дополнение к блоку 40 управления связью функциональные блоки, реализованные в микроконтроллере, содержат блок 36 управления положением, блок 31 управления скоростью и блок 38 закона изменения тока.
Функциональные блоки, реализованные в FPGA, содержат блок 31 управления током, первый блок 30а преобразователя опорного кадра, параметризованный для преобразования из вращающегося опорного кадра, связанного с ротором двигателя, в стационарный опорный кадр, связанный со статором двигателя, второй блок 30b преобразования опорного кадра, параметризованный для преобразования из трехфазного опорного кадра в двухфазный опорный кадр, блок 29 формирователя PWM и блок 28 вычислений.
Установочное значение Spos положения для стержня 52 передается на блок 36 управления положением, который также принимает реальное положение Mpos стержня 52, измеренное датчиком 55 линейного положения. Блок 36 управления положением подает установочное значение Sspeed скорости на блок 37 управления скоростью. Блок 37 управления скоростью передает команду Storque вращающего момента на блок 38 закона изменения тока, команда которого определяется как функция установочного значения Sspeed скорости и реальной скорости Mspeed вращения ротора, формируемая блоком 28 вычислений на основе результатов измерений, проделанных датчиком 54 углового положения. На основе установочного значения Storque вращающего момента блок 38 изменения закона тока формирует команду Idref двухфазного тока, причем Idref во вращающемся опорном кадре связана с ротором двигателя и передает ее на блок 31 управления током. Второй блок 30b преобразователя собирает данные трехфазного тока Ia, Ib, Ic с выхода инвертора 53 и измеренное угловое положение ротора Mangle, поданные блоком 28 вычислений. Блок 31 управления током использует установочное значение тока Idref, Iqref и значение тока Id, Iq, переданные вторым блоком 30b преобразователя, чтобы обеспечить первый блок 30а преобразователя двухфазным напряжением Vd, Vq во вращающемся опорном кадре. Первый блок 30а преобразователя, который также получает измеренное угловое положение ротора Mangle, затем формирует двухфазное напряжение Va, Vp в стационарном опорном кадре для блока 29 формирователя PWM. Блок 29 формирователя PWM затем формирует трехфазное напряжение VI, V2, V3 для управления инвертором 53. Инвертор 53 затем подает на двигатель 50 мощность, отбираемую от источника 65 постоянного тока.
Контур 60 регулирования таким образом образуется медленным контуром 61 и быстрым контуром 62, время выполнения для медленного контура 61 лежит в диапазоне от 500 микросекунд (мкс) до 10 миллисекунд (мс), а время выполнения быстрого контура 62 близко к 25 мкс.
Далее на фиг. 5 приводится описание конкретной схемы, составленной из функциональных блоков, позволяющей использовать электрический элемент 1 для функции преобразования напряжения DC/DC для подачи напряжения Vbus постоянного тока для питания шины на шину 70 сети электропитания подаваемого от батареи 71 напряжения Vbat постоянного тока. Электрический элемент 1 управляется элементом 66 управления, который подает установочное значение Svolt напряжения постоянного тока на микроконтроллер 7 через компоненты 11 интерфейса связи и блок 40 управления связью. Электрический элемент 1 также соединяется через аналоговые компоненты 12 интерфейса сбора данных с инвертором 72, питаемым батареей 71.
Дополнительно к блоку 40 управления связью, функциональные блоки, реализуемые в микроконтроллере, содержат блок 32 управления напряжением и блок 38 закона изменения тока.
Функциональные блоки, реализуемые в FPGA, содержат блок 31 управления током и блок 29 формирователя PWM.
В зависимости от установочного значения Svolt напряжения и напряжения Vbus на шине блок 32 управления напряжением передает опорное напряжение Vref на блок 38 закона изменения тока. Блок 38 подает ток Iref на блок 31 управления током, который на основе значения тока Iref и тока Ibat, подаваемого от батареи 71, формирует напряжение Vcont управления для формирователя 29 ШИМ. Формирователь ШИМ затем формирует трехфазное напряжение VI, V2, V3 для управления инвертором 72, так что от батареи 71 с напряжением Vbat подается напряжение Vbus шины.
Опять же обеспечивается контур 73 регулирования, состоящий из медленного контура 74 и быстрого контура 75.
Изобретение не ограничивается описанными здесь конкретными вариантами осуществления, а, напротив, охватывает любой вариант, лежащий внутри границ изобретения, которые определены формулой изобретения.
Хотя было решено иллюстрировать изобретение, используя микроконтроллер и FPGA типа статической памяти со случайным доступом (SRAM), контроллер может быть заменен на любой тип компонента, в том числе на процессор, и FPGA может быть заменена на любой тип программируемого логического компонента.
Список функциональных блоков, показанных на фиг. 2 и 3, естественно, не является исчерпывающим. Кроме того, описанные функции управления и преобразования могут великолепно выполняться, используя дополнительные блоки или другие блоки.
Аналогично, список компонент, представленных на электрической панели электрического элемента, также не является исчерпывающим. Также возможно создать условия для монтажа компонент на множестве электрических плат.