[发明专利]一种无人机机载三余度电气负载管理中心

摘要

一种无人机机载三余度电气负载管理中心，它包括CPU中央处理模块、状态量监测控制模块、同步模块、CCDL模块、模拟量采集调理模块、驱动控制模块、通讯模块和电源模块八部分。该三余度电气负载管理中心通过通讯模块接收上位机的控制指令；经过同步模块完成程序之间同步；根据上位机的控制指令、模拟量采集调理模块返回的系统电力汇流条的电压电流状态，以及状态量监测控制模块返回的SSPC的负载状态，求解负载方程，从而形成无人机不同飞行状态下的负载配电指令；经过CCDL模块的数据交换和监控表决完成该管理中心之间的切换，由主工作余度的电气负载管理中心完成对负载的配电；本发明在航空电气系统和无人机技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

主权项

一种无人机机载三余度电气负载管理中心，其特征在于：它以DSP TMS320F2812和FPGA EP2C35F484为核心，实现大型无人机的自动化配电控制和智能管理功能；它包括CPU中央处理模块、状态量监测控制模块、同步模块、交叉通道数据链即CCDL模块、模拟量采集调理模块、驱动控制模块、通讯模块和电源模块八部分；它们之间的位置连接关系是：该三余度电气负载管理中心通过通讯模块实时接收上位机系统的控制指令；经过同步模块完成该三余度电气负载管理中心程序之间同步；根据上位机的控制指令、模拟量采集调理模块返回的系统电力汇流条的电压、电流状态，以及状态量监测控制模块返回的固态功率控制器即SSPC的负载状态，求解负载方程，从而形成不同飞行状态下的负载配电指令；经过CCDL模块的数据交换和监控表决完成该三余度电气负载管理中心之间的切换，由主工作余度的电气负载管理中心完成对负载的配电；同时将采集到的负载状态信息及电力汇流条的电压、电流信息通过通讯模块上传给供电处理机；所述电源模块是通过多种DC/DC转换模块转换成为满足电气负载管理中心各个模块需要的稳定电源；电源模块是由XZR05S/24S05、TPS70445、TPS75733、TPS76801芯片组成，电源模块通过XZR05S/24S05芯片将机载+28V直流汇流条电压转换成+5V的直流电源，然后通过TPS70445芯片将+5V的直流电源转换成FPGA需要的+3.3V和+1.2V的直流电源，通过TPS75733芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+3.3V的直流电源，通过TPS76801芯片将+5V的直流电源转换成DSP需要的+1.2V的直流电源；所述CPU中央处理模块是负责多余度CPU的协调工作、状态信息的收集、系统指令的控制和执行功能；它的结构是通过搭建数字信号处理器即DSP系统和软件编程来实现的；它实时通过通讯模块接收来自上位机的控制指令，同时接收来自状态量监测控制模块反馈的负载状态信息，控制模拟量采集调理模块采集电力汇流条的电压、电流信号，综合求解负载方程，形成相应负载的配电指令；CPU中央处理模块通过中断服务子程序实时的接收上位机控制指令，在中断服务子程序中，通过在接收的数据包的后面增加一个八位的校验位，判断接收到的数据包是否为有效的控制指令，如果数据包为有效的控制指令，则存入DSP中相应的控制寄存器，否则舍弃；经过同步模块完成三个余度CPU的同步，通过查询DSP中相应寄存器获取状态量监测控制模块反馈的负载状态信息，根据负载方程求解得到负载的通断指令，并将其存入配电指令寄存器；所述状态量监测控制模块是为CPU中央处理模块提供无人机电气系统平台监控的软件模块，它的结构是通过DSP软件编程来实现的，DSP根据SSPC的通讯协议向SSPC发送控制指令数据包来使SSPC完成对负载信号的采集及负载状态信息的上传；该模块一方面完成对固态功率控制器SSPC所有负载状态信息的采集，根据CPU中央处理模块的配电指令控制相应的SSPC动作，并检测SSPC的状态反馈，从而实现电气负载管理中心的配电功能；另一方面，将获得的各种负载状态信息反馈给CPU中央处理模块和上位机，利用这些状态信息进行机内测试即BIT和故障诊断；如果完成配电的SSPC出现故障，则切换到备份SSPC来完成配电；所述同步模块是由DSP中的同步算法和FPGA中的同步算法构成，它的结构是通过在DSP中编写同步算法并经过DSP的数字I/O口和FPGA器件来实现的；在DSP中，同步算法判断此次同步是否为三余度DSP的第一次同步，如果为第一次同步，同步模块设置同步等待时间为0.5s，否则设置同步等待时间为100us；禁止DSP中所有的中断服务子程序；DSP通过数字I/O口DO向FPGA发送高电平同步信号，进入同步循环程序，同时检测同步等待次数是否超过限定值，如果同步次数超过限定值则跳出同步循环，失步次数加一，重新开始同步，否则同步等待次数加一；同步模块检测FPGA是否向DSP的I/O口DI发送高电平的反馈信号，如果DSP收到FPGA发送的高电平信号，则表示第一次握手成功，否则表示此次同步失败，重新开始同步；DSP在第一次握手成功后，再次向FPGA发送高电平的同步信号，同时检测FPGA反馈的高电平信号，如果第二次握手成功，则同步标志位置位，退出同步循环，否则表示此次同步失败，重新开始同步；跳出同步循环后，使能中断服务子程序；检测同步标志位，如果置位，表示三余度DSP同步成功，失步计数器清零，同步程序结束，否则判断失步次数，如果失步次数大于5次，表示该余度DSP故障，重新启动该余度DSP；在FPGA中，同步算法实时等待三余度DSP发送的同步高电平信号，如果收到三个余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向三个余度DSP同步发送反馈高电平信号，表示同步成功；如果收到二个余度DSP的同步高电平信号，则FPGA向这两个余度DSP发送反馈高电平信号，表示这两个余度同步成功；如果只收到一个余度DSP的同步高电平信号，则表示三余度DSP同步失败，FPGA不向任何余度DSP反馈信号；所述CCDL模块包括余度数据监控、余度数据表决和余度切换三个部分；CCDL模块的结构是通过在FPGA中编写余度数据监控算法、余度数据表决算法和余度切换算法来实现的；余度数据监控算法利用DSP与FPGA之间的数据总线和地址总线，将三个余度DSP发送的负载状态信息和配电指令依次存入相应的寄存器中，以实现三余度DSP数据的共享；余度数据表决算法通过查询相应寄存器获得三余度DSP共享的数据，比较三个余度DSP的数据是否相同；如果三个余度DSP的数据相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级切换到A通道，由A通道的DSP最终完成对负载配电；如果有两个余度DSP的数据相同，假如是A通道和B通道的DSP数据相同，则余度切换算法根据两个余度DSP的优先级切换到A通道，由A通道DSP最终完成对负载配电，同时余度切换算法令故障余度C通道DSP重新启动，进入下一轮的余度数据表决，如果下一轮的余度数据表决C通道DSP依然故障则彻底屏蔽次通道，否则恢复正常；如果三个余度DSP数据都不相同，余度切换算法根据三个余度DSP的优先级选择高优先级的A通道完成对负载的配电；当三个余度中有一个余度被彻底屏蔽之后，余度切换算法降级工作，即当两个余度DSP数据相同的时候，选择高优先级的通道完成对负载的配电，当两个余度DSP数据不相同的时候，依然选择高优先级的通道完成对负载的配电；所述模拟量采集与调理模块，它是由典型运放电压采集电路、霍尔电流互感器HX10 P、模数转换芯片AD7865组成的，通过采集和调理的信号量通过IO数据线传送给DSP器件处理；其间的位置连接关系是：运放电压采集电路采集电力汇流条的电压信号，霍尔电流互感器采集电力汇流条的电流信号，经过调理电路送到模数转换芯片进行模数转换；它根据CPU中央处理模块的控制指令采集相应电力汇流条的电压、电流信号，并经过调理电路和模数转换电路，把系统级和设备的状态信息传送到CPU中央处理模块进行故障诊断和处理；所述驱动控制模块，它是由ULN2003功率驱动芯片构成；其间的位置连接关系是：CPU中央处理模块向ULN2003发送控制指令，功率芯片ULN2003将控制指令进行功率放大，驱动大功率接触器来完成配电；它根据CPU中央处理模块的控制指令，驱动控制相应的大功率接触器来完成对汇流条等大功率用电负载的配电控制；所述通讯模块，它是由MAXIM公司的RS 422串行总线通讯芯片MAXIM3160完成。