机载发电机控制部件分析

摘 要 本文以机载发电机控制部件GCU为例，说明GCU的硬件构成，以及下位计算机在线状态监测与控制，系统诊断，软件设计及系统功能。

关键词 GCU；PWM；在线状态监测；控制

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0023-02

1 概述

众所周知，飞机上的核心电源是三相400 Hz、115 V电源，其三相电源的状态好坏，直接影响到它的用电设备。因此飞机发电机需要输出稳定的三相115 V电压、频率稳定为

400 Hz及输出电流满足负载要求的电源。飞机机载发电机控制部件Generator Control Unit，简称GCU，不仅是飞机发电机输出电压的调节器，也是发电机工作状态的监测和保护装置，完成诸如电压调节，过压、欠压、过流、过频、欠频与差动保护等调节与告警、保护功能。因此GCU是机载设备中比较重要的电子设备。

2 GCU的主要组成部分及工作原理

1）飞机发电机400 Hz的频率稳定控制，是由发电机系统中的机械差动装置完成；而发电机输出的稳定115 V电压就要由GCU进行控制。

GCU作为发电机的电压调节器，目前采用的PWM技术（脉冲宽度调制）。PWM可以用两种方案加以实现，即模拟电路实现与CPU程序实现。模拟电路实现是较经典的PWM电路，而CPU软件实现是建立在CPU技术的发展之上，比如MCS-96系列单片机内部已有PWM功能单元，拥有PWM的输出端口。

PWM模拟电路实现的原理：首先从发电机三相输出端取其三相115Vac信号，经电路处理后再送给比较器，比较器将该信号与可调基准电压进行比较，比较后输出频率为1200 Hz、占空比随三相115Vac信号变化的脉冲信号，脉冲再经过驱动电路，即成为驱动GCU外部发电机励磁线圈的励磁电流，励磁电流又决定了发电机的输出电压；可知发电机的三相输出电压、比较器、脉宽信号与发电机构成一闭环负反馈系统，之所称为负反馈是因为设计上三相电源电压信号与脉冲占空比的极性相反。

单片机内部PWM功能单元的原理结构，主要部件有8位脉宽控制寄存器，8位比较器和8位计数器及R-S触发器。8位计数器每个T状态周期计数值加1，当计数器计满溢出时置R-S触发器为“1”，PWM输出高电平。当计数器的值与脉宽控制寄存器的值相等时置R-S触发器为“0”，PWM输出低电平。因此每一计数循环（256个T周期）可产生一次矩形波电压输出，以此循环，即在PWM输出端产生一系列的矩形脉冲。改变脉宽控制寄存器置值的大小就可改变PWM脉冲宽度。

不具备PWM输出端口的CPU如何实现PWM呢？可以用CPU的I/O口，例如取其某一I/O口，程序对其端口置0或1，设定置0或1的延时时间，就能输出脉宽调制矩形脉冲。为了提高PWM控制系统的精度，通常也采用闭环系统，是在开环的基础上增加了相应的检测回路，意在将检测值与给定值进行比较

调节。

可以预见，今后的PWM将更多的采用内部已有PWM功能单元单片机或其他CPU系统，其微型化、智能化的优势是无可取代的。

2）GCU的控制、保护及BITE（Build-in Test Equipment）组成。

机型较旧的GCU，无论PWM，还是其它告警、保护功能模块均由分立元件构成。分立元件可靠性不高，数字电路、CPU技术的进步，发展出全方位的CPU控制、保护及BITE系统。

CPU系统的GCU控制、保护原理可知，该GCU是一采用微机测控系统的监控、保护电路系统。多个模拟量输入信号，经过电路处理后，由多路开关进入A/D转换器，分时被CPU读入；而开关量输入信号，经过电路处理后，也被CPU读入。CPU在程序支配下运算、处理、输出，控制各种执行机构动作，如断路器、继电器的动作，指示灯的告警等。在这一系统中，CPU可处理大量的输入信号，控制、保护功能大大增强。

相对而言，GCU系统参数要求相对较低。CPU内部时钟

2.5 MHz，数据总线宽度8位，64KB的地址空间，10bit的A/D转换器，转换速度40ms，可见CPU条件很容易满足。

特别值得说明的是，GCU内部设计了一套基于CPU的BITE电路，其作用部分相当于系统执行的自检功能，同时该BITE在系统运行及维修中作用很大。

3）GCU采用串口实现与BPCU（Bus Power Control Unit）通讯（UART）。波特率39Kbit；数据8位，开始1位，奇偶1位，结束1位，共11位。接口用RS-422差分信号传输，这种传输方式抗干扰强，速度较快，传输距离较远。计算机通讯是现代CPU系统与外部系统信息交流的重要手段，发出自己的信息，接受上面的要求。该串口不仅是GCU与BPCU进行适时通讯的接口，在GCU的维修中，该接口也是必须的。

3 软件模块

为了完成系统的状态检测、控制、保护、通讯等项内容，GCU软件模块根据要求分成3层。

第一层模块，包括主要的中断服务程序，按种类可分为主执行程序、正常的中断、电源上升的复位及CPU故障。

第二层模块，从属于第一层模块INITNT与MREXEC之下，按种类可分为初始化、保护与控制、BITE执行程序、通讯、后台模块。

第三层模块，从属于第二层模块DIFFPR、LOGICG与BEXECG之下，按种类可分为保护、隔离执行程序、动态断路器监控与BITE连续执行程序。

软件基本周期为5 ms，各功能模块的执行周期为5 ms、

20 ms、40 ms或80 ms不等。

4 功能描述

GCU计算机系统的功能，总的包括电压调整、控制与保护以及BITE。

控制功能：电源相电压调整在114～116Vac时，负载可达90KVA；电流检测最大电流可达550～670 A。

保护功能：CPU系统的扩展，加强了对大量输入开关量及输入模拟量的处理能力，输出控制能力更大，控制与保护功能更强。如过压（OV）、欠压（UV）、过频（OF）、欠频（UF）、缺相（OP）、过载（OL）、欠速（US）、短路旋转二极管（SRD）、短路PMG（SPMG）、差动保护（DP）、过流（OC）、断路、点火、过热、低油压、激励、CPU保护、看门狗电路保护等。

BITE功能：可帮助系统确定以及排除故障，BITE包括系统运行及维修两部分。①BITE完成5项任务。在EPGS中检查并隔离主动和被动的故障；在每一控制单元的非易失性存储器中记录故障代码、保护断路器动作；在非易失性存储器中记录飞机“FLIGHT”的BITE数据；维修人员需要时，在BPCU前面板显示记录的BITE数据；当需要显示结果进行电路检验。②BITE在系统运行中执行上述的保护功能，并且检测GCU的18种状态。③维修用BITE，分为数字输入电路、电压与电流输入、频率检测电路、速度测量电路。

5 测试简述

在讨论GCU的串口UART与BITE时，都提到它们在维修时很重要，事实也如此。

测试时在GCU的输入接口加上开关量或模拟量，然后从GCU的串口注入一组数据，经CPU运算、处理，从串口再输出一组数据，并且在GCU的输出接口会有相应的开关量或模拟量输出。

串口上只需将GCU与BPCU的串口连接，或用微机代替BPCU从GCU的串口注入一组数据亦可。

6 结束语

新一代的机载GCU设备，是一套下位计算机在线状态监测与控制系统，其特点还在于与上位计算机通讯，同时其内建的BITE功能，保证GCU的在线状态监测与测试维修的简单化。类似系统将应用到更多的领域。