控制飞行器电网的系统的制作方法

1.本发明涉及飞行器的电气化领域，更具体说是涉及一种用于控制飞行器电网的系统。


背景技术：

2.商用飞行器的不断增加的电气化程度(空调、起落架、反推力装置、除冰等)对电气系统提出了越来越高的要求(功率增加、可用性提高、多种运行模式)。
3.因此，飞行器制造商开发了分散式结构，其可以通过将配电箱尽可能地靠近负载来优化电力电缆的质量。
4.但是，这些架构对控制配电的系统具有负面影响，因为它们会导致电子板以及与这些板相关的布线数量增加，如图4所示，所述图4示意性地示出了具有两个推进组件的商用飞行器的当前电气结构。
5.在绝不限制的所示示例中，该电源架构包括五个启动器
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发电机：每个推进组件两个(sg1、sg2、sg3、sg4)，以及用于辅助电源装置apu的一个(sgapu)，冲压空气涡轮发电机(ratg)，外电源装置的两个端口(ex1、ex2)，空调系统的四个电动压缩机(ecs1、ecs2、ecs3、ecs4)，四个配电箱(ldb1、rdb2、ldb3、rdb4)、应急箱(edb)，以及两个电力电子箱(lpeb、rpeb)。字母l表示飞机的左侧，字母r表示飞机的右侧。
6.每个电力电子箱(lpeb或rpeb)与两个配电箱(ldb1和ldb3或rdb2和rdb4)相关，所述配电箱与给定的推进组件相关联，这些配电箱之一也与辅助电源装置相关联。
7.电力电子箱每个都配备有至少三个逆变器10l、12l、14l；10r、12r、14r(如果电机的数量更大，或者如果希望改进系统的可用性，则可能需要更大的数量)，所述逆变器根据由这些不同的被驱动构件内部的传感器输送的速度和位置信息，基于来自于直流汇流条18l、18r的直流电压(根据布线矩阵16l、16r的位置)选择性地输送交流电压到推进组件的启动器
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发电机sg1、sg2、sg3、sg4以及辅助电源装置的sgapu或其他被驱动的电机，例如被驱动的电动压缩机ecs1、ecs2、ecs3、ecs4。逆变器可驱动任何电机，无论它是推进组件的启动器
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发电机、辅助电源装置、电动压缩机，还是飞行器的其他系统(电动滑行、液压系统、油箱惰化系统等)的其他电机(未示出)。
8.这两个电力电子箱的直流汇流条18l和18r通过接触开关(未示出)相互连接，这可以使它们互连或隔离，并且由连接到电池20、22和三个整流器latru、ratru和catru的dc/dc升压变流器供电(后者在前两个之一发生故障时运行)，所述直流汇流条的输入连接到配电箱，更准确地连接到相互连接的这四个电力电子箱的交流汇流条24、26、28、30，在发电机模块中正使用时，这些汇流条每个都进一步连接到给定推进组件或辅助电源装置的启动器
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发电机。当然，在每个汇流条之间提供了接触开关(未示出)，使得当每个汇流条由其主电源供电时，接触开关不闭合，然后使每个汇流条绝缘。当一个汇流条未供电并且与另一汇流条相关联的另一电源对其供电时，接触开关闭合以连接汇流条。
9.左侧ldb1上的两个配电箱之一可包括(如图所示，但外部链接也是可能的)从交流
汇流条24输送直流电压到直流汇流条24l的变压器/整流器ltru。类似地，右侧rdb2的两个配电箱之一可包括(如图所示，但也可以是外部链接)从交流汇流条30输送直流电压到直流汇流条30r的变压器/整流器rtru。在变压器/整流器发生故障时，这两条直流汇流条可通过接触开关(未示出)相互连接。最后两个配电箱ldb3和rdb4的另外两个交流汇流条26、28为应急箱edb的交流汇流条32供电，所述交流汇流条32经由变压器/整流器tru为与配电箱之一的直流汇流条连接的直流汇流条32s输送直流电压。应急箱的交流汇流条32也通过冲压空气涡轮发电机rat以及通过连接到应急电池34的直流汇流条32s的dc/ac转换器供电。
10.该标准电气架构包括对于相互独立并隔离的左右两侧来说基本等同的控制系统，左右侧每个因此相互独立地获取测量值。另一方面，应急箱edb通常具有未示出的独立控制系统。
11.每个电力电子箱lpeb、rpeb具有集成监控器40l、40r，其构造这三个逆变器10l、12l、14l；10r、12r、14r以及路由矩阵16l、16r的接触器。对于每一侧，左侧或右侧，在电力电子箱中提供了三块板42l、44l、46l；42r、44r、46r，以计算应用到每个逆变器的指令，即控制每个电源装置，所述电源装置与每个逆变器10l、12l、14l相关联并集成到每个逆变器10l、12l、14l(被描述为在这些逆变器的每个内侧以虚线绘制的块)并且执行本地控制以及该控制所需的测量。每个电力电子箱进一步包括有用于控制启动器
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发电机的板48l、50l、51l；48r、50r，所述启动器
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发电机用于在发电机模式下调节发电机的输出电压，并且用于在启动器模式下具体地控制通电。
12.在两个配电箱ldb1、rdb2中，两个冗余板52l、54l；52r、54r计算控制接触开关以及布置在每个配电箱中并与这些计算板绝缘的表决模块56l、58l、56r、58r的指令和保护，使得可以在来自这两个冗余板的命令之间进行选择。
13.然而，如果没有规定任何同步装置，交流发电机的并联在安全方面是灾难性事件。因此，电源反并联保护对于实现功能安全目标来说通常是必需的。出于同样的安全原因，反并联系统的输入必须与控制系统的输入不同。对于目前在航天中使用的变频发电机尤其如此。


技术实现要素：

14.本发明旨在提供一种应用到“更电气化”飞机的飞行器电网的新控制系统，即具有常规飞行器不具备的新电气功能，并且由于部件的数量减少和数据交换速度的提高而具有减轻的质量以及增强的安全性。本发明的一种目的还在于改进飞机电网的可用性，其允许多次重构，然而不会使控制系统复杂化。
15.为此，提供了一种飞行器电网的控制系统，其包括具有至少一个左侧启动器
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发电机的至少一个第一推进组件，以及具有至少一个右侧启动器
–
发电机以及其他电机的第二推进组件，一种系统，其特征在于，它包括第一和第二电力电子箱，每个电力电子箱都包括用于控制电网的至少两个所谓的通用控制电子板，所述至少两个通用控制电子板的每个都通过快速通信链接连接到分离的第一和第二数据开关，第一电力电子箱的第一和第二数据开关通过第一快速通信总线分别连接到第二电力电子箱的第一和第二数据开关。
16.因此，通过使用总线和诸多快速通信链接，提高了数据交换的速度，避免了通过专用电线的通信，这极大地增加了布线和连接器，并且在质量和布线成本方面受到影响，并且
将电子板从恶劣环境区域移动到受保护区域成为可能。此外，通过使用通用电子控制板而不是专用于控制逆变器的板，并且促进了功能的重构和合并。
17.控制系统还包括四个配电箱，两个配电箱与给定的推进组件相关联，并且每个配电箱都包括至少一个所谓的本地接口电子板，所述本地接口电子板用于首先获取与配电箱的状态有关的数据，其次控制专用于这些配电箱每个且旨在构造电网的接触开关。
18.根据所设想的实施例，第一和第二电力电子箱每个都可包括通过快速通信链接连接到电力电子箱的第一和第二数据开关的本地接口电子板，以及每个配电箱都包括一个单个的本地接口电子板，并且与给定推进组件相关联的两个配电箱的两个本地接口电子板通过快速通信链接分别连接到与该给定推进组件相关联的电力电子箱的第一和第二数据开关。
19.有利地，每个电力电子箱的三个通用控制电子板之一也用作本地接口电子板，并且每个配电箱还能够包括第一和第二本地接口电子板，同一配电箱的每个本地接口电子板连接到同一电力电子箱的不同数据开关。
20.优选地，与给定推进组件相关联的两个配电箱的第一本地接口电子板每个都连接到同一电力电子箱的不同数据开关，并且每个配电箱的第一本地接口电子板相互连接并通过第二快速通信总线连接到数据开关，以及每个配电箱的第二本地接口电子板相互连接，并通过第三快速通信总线连接到数据开关。
21.有利地，第一、第二和第三快速通信总线为100mbits/s至1gbits/s的类型。
22.控制系统进一步包括用于将控制命令应用到至少三个逆变器的至少三个控制单元，所述逆变器驱动启动器
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发电机和其他电机，所述至少三个控制单元每个都通过快速通信链接连接到数据开关，用于调节其电压的每个启动器
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发电机和其他被驱动电机的一个电源装置，每个电源装置通过快速通信链接连接到数据开关，与每个启动器
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发电机以及其他被驱动电机对应的数字化和通信装置，以提升每个启动器
–
发电机和其他电机的转子位置，从而允许驱动它们，这些装置每个都通过快速通信链接连接到数据开关。
23.优选地，所述第一和第二电力电子箱的至少一个通用控制电子板包括与同一电力电子箱的其他通用控制电子板不同的故障模式。
24.有利地，每个本地接口电子板都包括具有三种输出状态的表决电路，所述表决电路根据来自通用控制电子板的指令，控制连接到该本地接口电子板的开关。
25.本发明还涉及包括先前提到的系统的电网，以及涉及配备有这种电网的飞行器。
附图说明
26.根据没有任何限制地参考以下附图，以下给出的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
27.图1是根据本发明的飞行器电网的控制系统的架构的第一示例的示意图，
28.图2是根据本发明的飞行器电网的控制系统的架构的第二示例的示意图，
29.图3是表示在本发明的电子板上执行的应用程序的示例的循序图，以及
30.图4是现有技术的飞行器电网及其控制系统的示意图。
具体实施方式
31.图1通过第一示例示出了应用于先前参考图4描述的已知架构的本发明控制系统的原理，即具有四个配电箱ldb1、ldb3、rdb4和rdb2，以及两个电力电子箱lpeb、rpeb。
32.可控制电网并驱动飞行器的不同电机的该控制系统包括多块电子板、控制板和电源装置。六块电子板60l、62l、64l；60r、62r、64r为所谓的通用lcmm1、lcmm2、lcmm3；rcmm1、rcmm2、rcmm3，因为它们可互换(在一块电子板发生故障时，与现有技术不同，由它们支持的功能可被禁用或加载到另一块板中，在现有技术中，每个都与给定功能相关联的板都无法重构)。其他六块电子板66、68、70、72、74、76被称为本地cib，并且分别与配电箱ldb1、ldb3、rdb2、rdb4以及电力电子箱lpeb、rpeb每个都相关联。进一步提供至少三个电源装置78l、80l、82l；78r、80r、82r以应用控制命令到驱动飞行器的起动器、发电机和其他电机的每个逆变器10l、12l、14l；10r、12r、14r。最后，还提供了控制板48l，50l，51l；48r、50r的数量，所述控制板与推进组件和辅助电源装置的启动器
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发电机数量对应，并且在适用其他驱动电机的地方，其输出电压将被调节(在发电机模式下)。最后，还提供了对应的数字化和通信装置ssg1、ssg2、ssg3、ssg4、ssgapu、secs1、secs2、secs3、secs4以提升这些启动器
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发电机和其他被驱动电机的转子位置，从而允许驱动它们。常规地，此类装置由分解器或霍尔效应型的位置传感器形成。
33.通用电子板承载着电网的大部分控制功能以及电机的驱动功能。它们与待控制和监控的接口没有直接联系，这可以独立于接口(逻辑、模拟、数字)的数量和类型。这可以保证板的通用性能，并允许其支持不同的功能，并且特别地在其中之一丢失时，允许轻松地重构每个板的功能。本地接口电子板负责本地收集与每个箱相关的数据(接触开关的状态、电压、电流、温度等)，并用于使其对于系统的其他部件可用。它们还应用从通用电子板接收的控制命令以构造电网，并且当这些指令为多个时，它们根据预先确定的优先级在不同的命令之间做出决定。
34.现有技术的控制系统中已经存在的控制板和电源装置以与位置测量装置相同的方式运行，然而在本发明的范围内，具有与其他板不同的交互作用，如下所述。
35.这些不同的电子板和装置之间的信息交换和传输具体地通过四个数据开关90
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1、91
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1、90
‑
2、91
‑
2完成，这些板、电源装置以及数字化和通信装置与所述数据开关相连，这些数据开关通过类型的快速通信总线92(优选地1gbit/s)或具有相同优先级和性能的其他通信总线相互连接，所有数据在所述通信总线上交换，除非例如出于独立性或不同性等原因，功能安全限制需要专用的电线。因此，包括驱动同一电机的逆变器并联，以及电网的发电、配电和保护功能的电机驱动功能(推进组件、辅助电源装置和其他被驱动电机的启动器
–
发电机)对快速通信总线施加了性能限制，这要求在几十微秒到几毫秒的范围内设置控制回路，通过本地时钟以及可从快速通信总线获得的信息适用于，不同的电子板以适用于期望的控制周期的精度相互同步。例如，将会注意的是，某些功能，例如逆变器并联，需要在50纳秒的范围内同步性能，而其他功能具有不那么严格的要求。
36.具体来说，每个电力电子箱lpeb(或rpeb)包括两个数据开关90
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1、90
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2(或相应地91
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1、91
‑
2)，一个连接到电子板60l、62l、64l(相应地60r、62r、64r)、电源装置78l、80l、82l(相应地78r、80r、82r)以及控制板48l、50l、51l(相应地48r、50r)的每个输入/输出，并且另一个连接到每个其他输入/输出，布置在一个输入/输出90
‑
2、91
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2处的数据开关相互连接，
布置在另一输入/输出90
‑
1、91
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1处的数据开关也相互连接。所有的上述链接优选地通过快速通信总线92进行(然而，可以较低的比特率进行与电源装置和控制板的链接)。同时，配电箱通过很少的快速通信链接(通常为类型总线)连接到数据开关，优选地以100mbits/s。更准确地，配电箱ldb1和ldb3都通过链接93连接到电力电子箱lpeb的第一数据开关90
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1，并通过链接94连接到电力电子箱lpeb的第二数据开关90
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2。类似地，配电箱rdb2和rdb4均通过链接95连接到电力电子箱rpeb的第三数据开关91
‑
1，并通过链接96连接到电力电子箱rpeb的第四数据开关91
‑
2。
37.类似地，不同的数字化和通信装置通过快速通信链接99连接到这两个数据开关。
38.图2示出了根据本发明的架构的第二示例，但是其中，本地接口板的结构不同(将不再描述与先前架构等同的其他板或单元)。具体地，在该结构中，每个配电箱ldb1、ldb3；rdb2、rdb4不再具有单一本地接口电子板，但具有第一本地接口电子板100a、102a、104a、106a和第二本地接口电子板100b、102b、104b、106b，同一配电箱的每个本地接口电子板连接到同一电力电子箱lpeb、rpeb的不同数据开关。每个配电箱的第一本地接口电子板相互连接，并通过快速通信总线108连接到它们所连接到的数据开关，并且以相同的方式，每个配电箱的第二本地接口电子板相互连接并也通过快速通信总线110连接到它们所连接到的数据开关。独立(即相互隔离)并且在专用于配电箱的接触开关的水平允许简单管理冗余的这两条快速通信总线通常为类型的100mbits/s至1gbits/s或模拟的数据总线。总线108例如专用于控制接触开关，并且总线110专用于保护和获取与配电箱的状态有关的数据(特别是获取测量数据)。
39.更准确地说，与给定推进组件相关联的两个配电箱ldb1、ldb3(相应地rdb4、rdb2)的第一本地接口电子板100a、102a(104a、106a)每个都连接到同一电力电子箱lpeb(相应地rpeb)的不同数据开关90
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1、90
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2(相应地91
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1、91
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2)。需要注意的是，在该结构中，在电力电子箱lpeb、rpeb的水平，将最初存在于本地接口电子板74、76中的本地接口功能结合到通用控制电子板60l、62l、64l；60r、62r、64r之一中可能很有利，因此为被选择的通用控制电子板提供了更通用的监控功能。因此，每个电力电子箱将包括专用于驱动电机(sg1、sg2、sg3、sg4、sgapu和ecs1、ecs2、ecs3、ecs4)的两个通用板以及该监控板，该监控板构造所讨论的电力电子箱的通用板并且控制该电力电子箱的接触开关的操作。
40.在先前示出的两种结构中，该控制系统的目的是通过以周期t(通常在对于快速功能的50微秒和对于慢速功能的2毫秒之间)执行的相关联应用软件实施不同的功能，即所谓的“左右侧发动机控制”功能、所谓的“主要和冗余左右侧配电控制”、所谓的“lpeb监控器”功能、所谓的“rpeb监控器”功能、所谓的“左右侧配电保护”隔离功能，以及所谓的“主要和冗余左右侧系统监控”隔离功能。
[0041]“左右侧发动机控制”功能计算应用到逆变桥的每个臂的循环比。该循环比以斩波频率重新计算并发射，左侧的每个板60l、62l、64l(lcmm1、2和3)以及右侧的每个板60r、62r、64r(rcmm1、2和3)能够单独地或并联地驱动其响应侧的三个逆变器。
[0042]“主要和冗余左右侧配电控制”功能控制不同的接触开关(为方便起见，图中未示出)，例如不同发电通道之间的连接接触开关，授权以闭合发电机的线路接触开关，控制接地电源装置接触开关。这两个功能基于相同的信息进行相同的计算(主通道和冗余通道具
有同一网络状态视图)并将控制命令传输到本地接口电子板66
‑
76以供应用。通过如下将详述的表决电路在本地接口电子板中进行这两个控制之间的分解。
[0043]“lpeb监控器”功能构造通用电子板60l、62l、64l和三个相应逆变器10l、12l、14l，以将计算和电力电子资源分配给负载驱动要求(电机启动和ecs)，以及构造路由矩阵16l的接触开关网络，以将逆变器路由到相关联的启动器
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发电机sg1、sg3，apu以及压缩机ecs1和ecs3。
[0044]“rpeb监控器”功能构造通用电子板60r、62r、64r和三个相应逆变器10r、12r、14r，以将计算和电力电子资源分配给负载驱动要求(电机启动和ecs)，以及构造路由矩阵16r的接触开关网络，以将逆变器路由到相关联的启动器
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发电机sg2和sg4以及压缩机ecs2和ecs4。
[0045]“左右侧配电保护”隔离功能使所有保护器集中在相应地左右侧的配电系统范围内，特别地在发电机(vfsg和外部装置)之间的反并联，集中左侧电力电子箱lpeb或相应地右侧电力电子箱rpeb的负载之间的反并联，在配电装置ldb1和ldb3、ldb3和rdb4之间以及在ldb1和rdb2之间的电力电缆上的泄漏电流保护，以及两个外部装置ex1和ex2的保护。
[0046]“主要和冗余左右侧系统监控”隔离功能，一个用于左侧，一个用于右侧，从配电系统收集信息并将其传输用于座舱显示器，以及对配电系统进行监控和故障诊断。以下的对应表概述了每个电子板的这些不同功能。左侧写在表“第1侧”中，右侧写在表“第2侧”中。
[0047]
[表一]
[0048]
[0049][0050]
需要注意的是，在此架构中，电子板lcmm1/lcmm2/rcmm1与电子板lcmm3/rcmm2/rcmm3的不同之处在于，它们的电子技术、设计和代码足够不同，以至于不存在任何常见的故障模式。具体地，两台变频发电机(vfsg)并联的“灾难性”分类要求反并联保护和控制由不同的电子板支持。
[0051]
在本地接口电子电子板66
–
76的水平，根据以下的选择表，具有三种输出状态的表决电路为与由电子板控制的每个接触开关(未示出)的接口提供来自通用电子板60l
‑
64r并遵循以下逻辑的控制命令(最多两个输入ctrl1和ctrl2)和保护指令(一个输入prot)：x：任何状态；0：状态0；1：状态1；无数据：对于输入，有效数据不可用，以及0：接触开关被指令打开；1：接触开关被指令关闭；无变化：对于表决电路的输出(输出)，接触开关的指令保持在先前的有效状态。
[0052]
[表二]
[0053][0054]
下表示出了系统功能与表决电路输入之间的联系(n/a表示不适用)。
[0055]
[表三]
[0056][0057]
因此，通过本发明，当本地接口电子板接收到ctrl1或ctrl2上的错误结果时，可以获得对该ctrl1或ctrl2上的错误结果的更好耐受性(这两种功能必须相干，以便表决电路应用修改)，可以获得对ctrl1或ctrl2损失的更好耐受性，因为剩余功能保持对接触开关的控制，可以获得对错误结果对prot影响的更好限制，因为保护功能的范围限制在单侧(左侧
或右侧)，可以获得对prot损失的更好耐受性，因为ctrl1和ctrl2保持对接触开关的控制。
[0058]
随后用于纠正控制功能的错误(例如反并联)的某些网络保护功能，表决电路的实施例必须保证在一方面ctrl1/ctrl2与另一方面prot之间不存在任何公共点。例如，这可以通过使在同一本地板上的不同逻辑组件支持功能ctrl1/2和prot来实现。
[0059]
图3以基于时间的图表形式示出了例如通过软件在不同电子板cib和cmm的适当处理器上执行的应用程序的顺序表示(当然，可以设想在例如fpga类型的可编程逻辑组件上执行)。
[0060]
在周期n开始时的t0(附图标记200)，本地接口电子板(cib)向六个通用控制电子板(cmm)发送在周期n
‑
1中进行的采集。然后，通过对在周期n
‑
1中接收的控制和保护指令进行表决(202)，cib计算接触开关的控制命令。在周期n中，基于由本地板cib(周期n
‑
1)传输的采集，连续地执行主要和冗余左右配电控制功能(204)以及lpeb和rpeb监控器(206)控制功能，并将结果传输到这些相同的本地板cib(208、210)以及传输到左右侧配电保护功能(212、214)。然后，左右侧配电保护功能(216)执行其结果并将其结果传输到将被应用到周期n 1的本地板cib(218)。因此，对电网上事件的反应将在该事件后的最早2个周期发生。
[0061]
需要注意的是，左右侧配电保护功能可能在本地电子板cib对其进行操作之前拦截左右侧配电控制功能的结果。
[0062]
还要注意的是，如果在图示的示例中已连续地执行了配电和监控功能，则并行执行当然也是可以的，也在每个任务结束时以顺序模式进行消息的发送。
[0063]
因此，通过本发明，由于快速通信总线的存在，最大化了设备之间的数据传输，其目的是减少电线的数量(节省质量和布线成本)，允许轻松地重构，并通过将网络中的某些设备项目集合用于多个功能来减少其数量，特别是在电力电子箱和配电箱中。
[0064]
因此，还会注意到的是，如果已经将不同的通用控制电子板和数据开关描述为电力电子箱lpeb和rpeb，这并不意味着必须将它们包括在这些电力电子箱中，并且必须理解的是，这些电力电子箱也可以物理地布置在独立于这些电力电子箱的控制模块中，这具有将计算板定位在受保护环境中的优点。