A320飛機電源檢測與負載配電系統設計

郝曉紅，談 斌，段俊萍

（中國民航大學 工程技術訓練中心，天津300300）

飛機電源系統作為飛機機載設備中的 “血液”部分，完成向所有飛機的用電設備供電，對飛機的安全與可靠運行發揮著不可替代的作用。那么，無論是飛行員還是機務維修人員，都必須對電源系統了如指掌，才能完成安全飛行和高質量維護[1-3]。基于STM32F4 單片機的電源檢測和負載配電系統，以空客（Airbus）A320 機型的電源系統為設計背景，采用單片機控制及虛擬仿真技術， 實現電源參數檢測、供電邏輯控制、故障實時保護、供電匯流條實時監控、各級負載自動配電等功能。該系統仿真度高，具備整體性強，操作性高，維護成本低，且易于復制，等特點，使用價值較高。

1 系統總體設計

飛機電源系統網絡主要完成對飛機系統所有用電設備的供電。其主要包括供電和配電2 部分，當飛機電源系統網絡中某一環節或者部分功能出現異常時，會影響到整個飛機的安全飛行。通常，飛行員主要依靠對電源系統的持續監測和實時保護，以及各電源類型之間的相互備份和負載的智能配電控制，來實現飛機電源系統的安全運行。A320 飛機電源系統電網結構如圖1所示[4-5]。

圖1 A320 飛機電源系統電網結構示意圖Fig.1 Schematic of power grid structure of A320 aircraft Power system

所設計的系統以A320 飛機電源系統供、 配電網絡為設計模型， 對飛機電源系統進行簡化和重組，高度仿真實際飛機電源系統真實功能。飛機電源檢測和負載配電系統總設計如圖2所示。對輸入電源的主要參數進行信號調理， 進而實施檢測，達標后依據供電邏輯對各級匯流條進行供配電控制，并能夠直觀地顯示出各類各級回流條實時供電情況及負載情況。同時，按飛機在不同飛行階段的需求對負載進行配電控制，并且當負載或電源出現不正常運行或故障時，系統能及時進行保護處理和復位處理，以實現電源系統的正常運行。

圖2 飛機電源檢測和負載配電系統總設計Fig.2 General design of aircraft power detection and load distribution system

2 飛機電源檢測和負載配電系統設計

飛機電源檢測和負載配電系統主要由2 部分組成，電源檢測子系統和負載配電子系統。電源檢測子系統為負載正常配電做好前期準備，負載配電子系統反饋實時狀態參數給檢測子系統，這2 個系統互相獨立且又相輔相成，共同完成飛機供、配電功能。

2.1 飛機電源檢測子系統設計

飛機電源檢測子系統以STM32F407 芯片為核心控制器。先對輸入電源的關鍵參數進行信號處理，然后進行參數符合性檢測。當電源參數達到通電標準后，再根據電源系統優先級進行供電優先級配置供電網絡，檢測并保護控制模塊實時監控檢測子系統動態參數；當出現輸出信號不正常時，及時進行保護，并重新配置供電網絡，并將相應信號傳輸給負載配電子系統，為負載配電做好前提工作。

2.1.1 電源參數采集方法

據GJB 181B—2012《飛機供電特性》，ISO 1540：2006 Aerospace-Characteristics of aircraft electrical system，GJB5189—2003 《飛機供電特性參數測試方法》等標準有關規定及系統要求[6-8]，基于本系統的具體設計指標，需要測試的參數如下：①穩態交流電壓U，測試范圍為100～130 V；②穩態交流電流I，測試范圍為0～10 A；③穩態交流頻率F，測試范圍為380～420 Hz。

為保證交流電壓、電流同時進行測量，要求采樣通道≮6 路；電壓采樣頻率≮20 kHz；電流采樣頻率≮6.67 kHz； 周期或頻率的采樣頻率≮80 kHz，計數頻≮1.25 MHz。

（1）穩態電壓U 及電流I 根據該項目提出的設計指標，需要檢測相電壓有效值范圍為100～130 V，檢測誤差為±2.5%。結合檢測標準的要求，按多路同時采集方式，同時采集單相電壓、電流值，考慮檢測精度要求，設置采樣頻率都為40 kHz，每個周期采樣點約為100 個，采集時間為200 個周期。具體計算時，先求出每個周波的采樣點數，然后得到相電壓的有效值[9]，即

式中：U 為每周波相電壓的有效值；i 為每周波采樣點數，i=1～n，n≥100；ui為采集任一點的電壓瞬時值。

相電流有效值的求取計算公式與相電壓有效值一致。

（2）穩態頻率F 需要檢測的交流信號的頻率范圍為380～420 Hz，誤差為±2%。為了保證檢測精度，設置采樣頻率≮80 kHz，計數頻率≮1.25 MHz[10]。采樣測頻具體過程如下：首先檢測每個周波的周期Ti，并求其倒數得到頻率fi，取數個周波的平均值，或者檢測數個周波的時間，除以周波數計算得到頻率的平均值。（采樣時間≮1 s），即為穩態頻率，有

式中：M 為頻率采樣的個數；fi為頻率采樣值。

2.1.2 信號調理模塊

信號調理模塊，主要用于將輸入的三相交流電壓、電流模擬信號調理到STM32F407 單片機的輸入的正常范圍。該單片機的電壓信號范圍為0～3 V[11]。三相交流電壓信號先經過降壓處理，再送入OP07 芯片進行信號整定， 達到可接受范圍內之后直接輸入至STM32F407 進行數據運算。頻率或周期的調理是在電壓信號的基礎上， 通過LM393 芯片進行處理。電壓、頻率調理信號電路的設計如圖3所示。

圖3 電壓、頻率信號調理電路Fig.3 Signal regulate circuit of voltage and frequency

通過電流互感器采集到的三相交流電流信號首先進行電壓轉換， 再將轉換后的電壓信號送入OP07 芯片進行信號整定， 之后輸入給單片機進行數據處理。電流調理信號電路的設計如圖4所示。

2.1.3 電源邏輯控制與保護模塊

電源邏輯控制與保護模塊是按照A320 機型的供電邏輯， 以STM32F407 單片機為控制核心芯片。該模塊對采集到的信號進行計算、邏輯處理，如果檢測指標符合系統要求，則完成電源系統正常供電模式配置，如電源指標出現不正常或故障。A320 飛機正常、不正常電網供電模式如圖5所示。按照飛機設計要求， 實現GLC，APC，BTC 等電源系統控制主接觸器之間的邏輯切換功能，完成電源系統不正常或故障供電模式配置。

圖4 電流信號調理電路Fig.4 Current signal regulate circuit

圖5 A320 飛機正常與不正常電網供電模式Fig.5 Power supply mode of normal and abnormal power grid of A320 aircraft

2.1.4 串口通信模塊

串口通信模塊，主要用于完成STM32F407 單片機與PC 上位機之間的數據通訊， 以及STM32F407單片機與負載配電控制器之間的數據傳輸。其中，STM32F407 與PC 之間的通訊采用RS232 協議，與負載配電控制器之間的通訊采用RS485 協議。

2.2 飛機負載配電子系統設計

飛機負載配電子系統的主要作用是根據飛機在不同的飛行階段對用電設備的不同需求而進行的電能分配。由于受試驗環境、試驗成本等限制，在負載配電子系統設計中基于A320 飛機電氣負載分析文件，同時依據不同飛行階段負載需求，按照發電機功率300∶1 的比例進行重新匹配設計， 高度擬合了飛機真實配電方式，達到了較好的試驗效果。

2.2.1 負載配電方案設計

電氣負載分析文件提供了飛機在預期的所有運行環境和條件下的正常與非正常電氣負載情況。依據空客公司為航空公司提供的A320 飛機電氣負載分析文件，將飛行分為9 個階段：1）地面（Ground）；2）啟動（Start）；3）起飛滑行（Roll）；4）起飛（Take off）；5）爬升（Climb）；6）巡航（Cruise）；7）下降（Descent）；8）著陸（Landing）；9）著陸滑行（Taxiing）。飛機處于不同的飛行階段，每臺發電機、每個匯流條的承載的負載功率大小不同；不同的供電網絡構型，相同的飛行階段，每個匯流條承載的負載功率大小也不同[12]。

基于系統設計需求，分別對5 種供電情況下對應匯流條1XP，2XP 和4XP 的帶載情況進行了分析。這5 種情況分別是：2 臺主發電機正常工作；1號發電機向電網供電（2 號發電機故障）；2 號發電機向電網供電（1 號發電機故障）；電瓶向電網供電；應急發電機向電網供電。

A320 飛機的單臺發電機容量為90 kV·A，而試驗裝置所采用的電源容量只有3 kV·A。為實現與電源的匹配， 將實際飛機上的負載按照300∶1 等比例縮小之后，再經過2～3 次的數值修正，使每臺發電機的最大負載達到170 W，滿足系統設計要求。1 號發電機供電情況下負載配置見表1。

表1 1 號發電機供電情況下負載配置Tab.1 Load configuration under power supply of generator No.1 gen

2.2.2 負載配電控制與實時監控模塊

負載配電控制器選用16 路串口繼電器控制板模塊。該模塊采用RS232，RS485 等多種串口通信協議，可同時進行16 路繼電器得通斷控制，滿足負載配電各種配置需求； 實時監控模塊完成PC 上位機與STM32F407 單片機及配電控制板的相互通信，實現3 個主要功能，即供電情況的實時顯示；對輸入電源檢測值的顯示；不同飛行階段的負載控制；等。系統的部分監控顯示如圖6所示。

圖6 部分監控實時顯示Fig.6 Partial monitoring real-time display

3 系統試驗測試與分析

按照A320 飛機電源系統操作標準程序對設計的系統進行測試。其測試內容主要有功能測試和數據測試2 部分。

1）功能測試 包括電源面板的操作和顯示、電源質量檢測和保護、匯流條邏輯控制、負載配電控制、匯流條及負載配電顯示、上位機交互頁面的控制和顯示等。系統功能試框架如圖7所示。

圖7 系統功能測試框架Fig.7 Frame of system functional test

2）數據測試 包括gen 1，gen 2，APU gen，EMG的電壓、電流和頻率。將電網供電模式配置為1 號發電機、2 號發電機、 輔助電源設備APU（auxiliary power unit） 發電機、 應急發電機EMG（EMergency Generator）單獨為整個電網供電，對各個電源類型進行單獨測試， 并對每種電源在10，50，100，200 次操作下進行數據統計和分析。具體的測試數據見表2。

由表可知，當電網模式配置1 號發電機或2 號發電機單獨為整個電網供電時，因1 號、2 號發電機電源容量相同，所以電壓、電流數據整體保持一致，偏差很小，且精度達到約±1%；因APU 發電機比主發電機電源容量較小， 故可分配的負載相對也較少，所以雖然電壓數據與主發電機保持一致，但電流數據比主發電機負載模式下的要偏小；由于應急發電機，僅在當飛機主發電機和APU 發電機都故障情況下，才會使用，所以電網配置處于緊急模式，只能保證最重要的用電設備不失電，因此所測電流參數值更小，符合實際配置要求。

4 結語

飛機電源系統作為飛機機載設備中的 “血液”部分，完成向所有飛機的用電設備供電。電源檢測子系統與負載配電子系統相互影響、 相輔相成，為飛機的安全可靠運行保駕護航。基于STM32F4 A320 電源檢測和負載配電系統，能完成輸入115 V，400 Hz 交流電壓、電流、頻率等參數的檢測、邏輯控制、電網保護、負載配電以及實時狀態監控等功能；可高度虛擬飛機上電源系統的相關功能和操作，實現對電源系統運行的動態模擬。該系統具備真實性強，可操作性高，可維護性好等特點，一方面適用于航空維修電源系統訓練教學平臺，另一方面可為電源系統附件維修提供一定的維修方案和技術支持。

表2 測試數據Tab.2 Test data