民用飛機液壓電控單元設(shè)計與實現(xiàn)

楊啟帆，劉少龍，劉 力

（中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

飛機液壓系統(tǒng)是通過液壓泵或直流電動泵將機械能/電能轉(zhuǎn)化為流體的壓力能，并通過流體將壓力能傳送到各個功能子系統(tǒng)，去完成各項預(yù)定任務(wù)的功能系統(tǒng)[1,2]。飛機液壓系統(tǒng)作為保證飛機安全的重要子系統(tǒng)，在民用飛機領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。液壓電控單元實現(xiàn)了相互獨立的3套液壓源系統(tǒng)直流電動泵（Electric Motor Pump，EMP）和溫流電磁閥的自動邏輯控制功能以及沖壓空氣渦輪（Ram Air Turbine，RAT）系統(tǒng)的自動和手動邏輯控制功能，同時向部分液壓源成品配電，采集并處理液壓源系統(tǒng)信號，通過2個遠程數(shù)據(jù)接口單元（Remote Data Interface Unit，RDIU）轉(zhuǎn)發(fā)機上其他系統(tǒng)的信號，將信號解算處理后通過RDIU轉(zhuǎn)發(fā)至機組告警系統(tǒng)（Crew Alerting System，CAS）、機載維護系統(tǒng)（On-board Maintenance System，OMS）以及航空飛行記錄器。液壓電控單元有效提升了液壓源系統(tǒng)的控制和使用效率，降低了維護成本。

1 液壓電控單元架構(gòu)設(shè)計

液壓電控單元主要實現(xiàn)采集邏輯控制、機組警示、信息維護功能。采集邏輯控制對象主要有液壓系統(tǒng)、電動泵控制盒、溫流電磁閥以及沖壓空氣渦輪，其中液壓系統(tǒng)包括蓄壓器充氣壓力傳感器、油濾組件、直流電動泵壓力信號器。機組警示是對故障狀態(tài)和誤操作發(fā)出警示，主要包括充氣壓力信號錯誤、油濾信號污染、電磁閥閥芯位置信號錯誤等。信息維護是采集和處理液壓系統(tǒng)以及通過2個RDIU轉(zhuǎn)發(fā)的機上其他系統(tǒng)的信號。

液壓電控單元采用異構(gòu)的主控-監(jiān)控架構(gòu)，滿足系統(tǒng)對可靠性和數(shù)據(jù)完整性的需求[4,5]。液壓電控單元硬件功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓電控單元硬件功能架構(gòu)

液壓電控單元由液壓控制模塊（Hydraulic Control Module，HCM）、監(jiān)控備份模塊（Monitor and Back Module，MBM）以及母板模塊（Mother Board，MB）組成，其中HCM、MBM都具備信號采集功能、信號處理功能、RAT控制功能、電源獲取和供電功能、維護功能、狀態(tài)上傳功能以及機內(nèi)測試（Built-In Test，BIT）功能。

HCM負責直流電動泵控制、左源溫流電磁閥控制、右源溫流電磁閥控制以及電動泵時間維護等功能；MBM負責中源溫流電磁閥控制、液壓控制面板指示上傳等功能；MB負責雷電防護、濾波電路、雙輸入電源保護、雙輸入電源選通以及內(nèi)部信號互連等功能。

2 液壓電控單元設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

HCM和MBM同時實現(xiàn)ARINC429總線信號采集轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)字頻率信號采集、離散量信號采集、RAT自動控制、RAT手動控制等功能。HCM完成外部供電、電動泵時間維護以及狀態(tài)上傳功能。MBM完成中源溫流電磁閥供電、液壓控制面板指示上傳功能。HCM和MBM的原理框架如圖2所示。

圖2 HCM和MBM原理框圖

MB主要由后背板和前背板組成，作為產(chǎn)品內(nèi)部模塊和外部設(shè)備的交聯(lián)橋梁，負責信號和電源的防護與傳遞、雙路電源的合并等功能，同時提供整機的接地設(shè)計。后背板上安裝對外連接器，通過選擇合適的瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）電路和濾波電路，提供整機雷電防護功能和高強度輻射場（High Intensity Radio Field，HIRF）防護功能[6]。前背板上安裝板間連接器與HCM和MBM模塊對插，提供2個模塊的通道交互鏈路。MB的原理框架如圖3所示。

圖3 MB原理框架

2.2 BIT設(shè)計

液壓電控單元作為飛機液壓源系統(tǒng)的重要功能部件之一，需要從以往的被動式維修向主動式預(yù)防隔離過渡，通過自測試的方法有效提升機載設(shè)備的診斷能力，同時改善機載系統(tǒng)的可測試性和維修性。

（1）上電BIT。在上電后確認系統(tǒng)硬件的完好性，并給出指示或告警，同時將測試故障結(jié)果記錄在非易失存儲器中[7]。

（2）周期BIT。系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過程中，連續(xù)性或周期性地檢測系統(tǒng)組成部分的工作狀況。

（3）維護BIT。在系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)后、飛行前或地面維護時檢測系統(tǒng)故障情況，比起前2種BIT有著更強的故障診斷能力，允許操作者選擇不同組合的測試項實現(xiàn)詳細檢測與隔離[8]。

液壓電控單元的BIT測試方法主要包括公式計算、布碼測試、回繞測試、激勵測試、監(jiān)控測試以及基于芯片BIT功能測試等，具體如表1所示。

表1 BIT測試方法

2.3 故障綜合設(shè)計

液壓電控單元HCM和MBM均具有故障綜合控制邏輯，能夠?qū)Ω鞣N解控結(jié)果進行綜合處理，得到傳感器、控制閥的使能指令，用于控制溫流電磁閥、RAT轉(zhuǎn)速傳感器以及RAT卸荷閥實現(xiàn)電磁鐵的接通和切斷控制。故障綜合控制邏輯框架如圖4所示。

圖4 故障綜合控制邏輯框架

使能信號（EN）、電流采集信號（CUR_FDBK）和輸出狀態(tài)反饋信號（FDBK）經(jīng)過邏輯與運算后，通過鎖存器控制溫流電磁閥。使能信號（EN）、轉(zhuǎn)速采集信號（Freq）、轉(zhuǎn)速傳感器開路狀態(tài)信號（Freq_OPEN）以及輸出狀態(tài)反饋信號（FDBK）經(jīng)過邏輯與運算后，通過鎖存器控制RAT轉(zhuǎn)速傳感器。鎖存器復(fù)位信號由電源有效信號、同步有效信號以及ARINC429消息有效信號共同決定。

3 軟件設(shè)計

控制軟件由系統(tǒng)配置模塊、接口處理模塊、信號處理模塊、任務(wù)調(diào)度模塊以及維護模塊5個基本功能模塊組成。

（1）系統(tǒng)配置模塊負責在系統(tǒng)上電后對系統(tǒng)資源進行初始化配置，主要包括系統(tǒng)時鐘、外設(shè)時鐘、通用輸入輸出（General Purpose Input Output，GPIO）接口、串行接口以及模擬量接口等。

（2）接口處理模塊包含信號采集模塊和信號發(fā)送模塊。信號采集模塊負責ARINC429接口數(shù)據(jù)、外部離散量、模擬量接口數(shù)據(jù)以及數(shù)字頻率接口數(shù)據(jù)的采集和接收，信號發(fā)送模塊負責ARINC429接口命令的對外發(fā)送和離散量信號的發(fā)送。

（3）信號處理模塊包含數(shù)據(jù)還原模塊和協(xié)議解析模塊。數(shù)據(jù)還原模塊根據(jù)信號采集模塊采集的底層物理數(shù)據(jù)，將其還原成邏輯數(shù)據(jù)或物理量數(shù)據(jù)。協(xié)議解析模塊根據(jù)任務(wù)調(diào)度模塊輸出的任務(wù)對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行編碼，并傳輸給信號發(fā)送模塊。

（4）任務(wù)調(diào)度模塊包含電動泵自動控制模塊、源溫流電磁閥控制模塊、RAT控制模塊、狀態(tài)解算模塊、故障告警模塊、自檢模塊、內(nèi)部通信模塊以及安全隔離模塊8個子模塊，主要實現(xiàn)各級任務(wù)的協(xié)調(diào)調(diào)度工作。

（5）維護模塊主要負責上電自檢、數(shù)據(jù)加載、軟件升級等設(shè)備維護功能，為控制軟件的安全穩(wěn)定運行提供保障。

4 結(jié) 論

針對民用飛機液壓電控單元的架構(gòu)和模塊進行設(shè)計，液壓電控單元的應(yīng)用能夠有效完成對液壓系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，減輕機組人員操作負擔，提高系統(tǒng)工作效率，充分保證民用飛機液壓系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，滿足國產(chǎn)飛機發(fā)展的獨立自主性要求。