基于數(shù)字化平臺(tái)的發(fā)電機(jī)控制器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳顏飛　畢鋒

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種機(jī)械設(shè)備對(duì)于發(fā)電機(jī)控制器的可靠性有了更高的要求。通過對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)力損傷分析、故障分析和技術(shù)條件分解等基于故障預(yù)測(cè)技術(shù)的方法，同時(shí)依靠物理仿真分析，使發(fā)電機(jī)控制器的可靠性，能夠在發(fā)電機(jī)控制器的研發(fā)論證階段就與產(chǎn)品的性能設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可靠性與性能設(shè)計(jì)的有效相統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化平臺(tái)；發(fā)電機(jī)控制器；可靠性；優(yōu)化設(shè)計(jì)；故障預(yù)測(cè)技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN97 文章編號(hào)：1009-2374（2016）12-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.010

在飛機(jī)電源的眾多組成部分當(dāng)中，發(fā)電機(jī)控制器顯得尤為重要，是飛機(jī)電源系統(tǒng)的控制中心。發(fā)電機(jī)控制器能夠?qū)﹄娏鳌㈦妷骸㈩l率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此來達(dá)到保護(hù)和控制電源系統(tǒng)的目的，并且能夠精準(zhǔn)監(jiān)控電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。本文將針對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)的客觀需求，基于數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)，提出發(fā)電機(jī)控制器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施方案，并為工程的進(jìn)一步提供基本的結(jié)構(gòu)框架。

1 發(fā)電機(jī)控制器功能

發(fā)電機(jī)控制器主要有調(diào)壓、控制和保護(hù)三大主要功能。隨著時(shí)代發(fā)展，發(fā)電機(jī)控制器的功能也逐漸增多并完善，如故障檢測(cè)與隔離、數(shù)據(jù)通訊等功能。下面筆者將對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行逐一介紹：

1.1 電壓調(diào)節(jié)功能

調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓是發(fā)電機(jī)控制器的一個(gè)重要功能，主要由電壓調(diào)節(jié)器來完成工作。電壓調(diào)節(jié)器由檢測(cè)、比較、放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)組成，有時(shí)還要補(bǔ)償和校正環(huán)節(jié)。其主要功能有：第一，調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的；第二，避免負(fù)載短路時(shí)發(fā)生事故；第三，限制發(fā)電機(jī)輸出電流；第四，限制最高電壓，使其保持在電壓峰值以下，避免設(shè)備損壞；第五，當(dāng)三相電壓檢測(cè)線路故障時(shí)，限制勵(lì)磁電流，以免損壞設(shè)備。

1.2 控制功能

控制功能也是保證發(fā)電機(jī)控制器正常運(yùn)行的重要功能，控制功能主要是控制相應(yīng)的接觸器、繼電器，使其穩(wěn)定運(yùn)行，保證發(fā)電機(jī)和負(fù)載的通斷以及轉(zhuǎn)換得以完成。控制功能主要有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制、接觸器控制、轉(zhuǎn)換控制三個(gè)環(huán)節(jié)：第一，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制，勵(lì)磁控制是保證發(fā)電機(jī)正常工作的必要條件，此外發(fā)電機(jī)控制器還要完成滅磁的工作；第二，接觸器控制功能，主要是實(shí)現(xiàn)GCB（發(fā)電機(jī)輸出接收器）、BTB（匯流條連接接觸器）、GCR（勵(lì)磁控制繼電器）的通/斷控制；第三，轉(zhuǎn)換控制，轉(zhuǎn)換控制又包括電源接入控制和雙通道轉(zhuǎn)換控制。電源接入控制要遵循三個(gè)基本原則，即地面電源優(yōu)先原則、機(jī)上電源優(yōu)先原則、隨機(jī)優(yōu)先原則，即誰先投入，誰先工作。雙通道轉(zhuǎn)換控制，如果飛機(jī)不并聯(lián)交流電系統(tǒng)正常工作，每臺(tái)交流發(fā)電機(jī)將會(huì)分別供電，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，發(fā)電機(jī)和匯流條件將會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.3 保護(hù)功能

對(duì)電源系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和用電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)和自我檢測(cè)，也是發(fā)電機(jī)控制器的一個(gè)重要功能。保護(hù)功能會(huì)針對(duì)不同的故障和異常情況來選擇不同閾值以及延遲時(shí)間，并根據(jù)故障等級(jí)與控制盒共同實(shí)現(xiàn)隔離故障。通過保護(hù)功能還能將故障信息保存在NVM（非丟失性存儲(chǔ)器）中，便于找出故障進(jìn)行維修。

1.4 故障隔離功能

電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障十分常見，異常的輸出將會(huì)逐層傳播，直至達(dá)到最高級(jí)，以致改變整個(gè)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。所以發(fā)電機(jī)控制器不僅需要檢測(cè)故障，而且要在故障發(fā)生后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并將故障進(jìn)行隔離，才能保證電源系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1.5 通訊功能

在日常地面維護(hù)和飛行當(dāng)中，發(fā)電機(jī)控制器將會(huì)通過通訊接口與非航空電子監(jiān)控處理機(jī)來完成通訊工作，從而達(dá)成信息交換—接收NAMP（非航空電子監(jiān)控處理機(jī)，Non-Aerial Monitoring Processor）的命令，完成相應(yīng)要求。通過這一系列動(dòng)作，通訊功能將會(huì)把電源系統(tǒng)的狀態(tài)以及故障信息傳達(dá)給NAMP。

2 基于故障預(yù)測(cè)技術(shù)的可靠性仿真分析流程

2.1 某型號(hào)發(fā)電機(jī)控制器電子單元的設(shè)計(jì)改進(jìn)案例

某型號(hào)發(fā)電機(jī)組成及其結(jié)構(gòu)。該發(fā)電機(jī)控制器主要由一個(gè)專用安裝架和一個(gè)外場(chǎng)可更換單元構(gòu)成，各功能電子模塊主要包括調(diào)壓模塊（PWM）、電源模塊（PS）、模擬量輸入采集模塊（AIN）、離散量輸入采集/輸出控制模塊（DIO）、處理器模塊（DSP）、濾板模塊（RFB）和母板（MB）。如圖1所示：

母板與機(jī)箱之間采用螺釘進(jìn)行連接，與電子模塊則用插槽連接器連接，并將各個(gè)模塊用鎖緊螺栓固定；在機(jī)箱的結(jié)構(gòu)上采用封閉模式，以自然通風(fēng)進(jìn)行冷卻。在機(jī)箱與安裝架之間，前段使用鎖緊組件，后端使用定位椎銷，用以提高產(chǎn)品安裝的可靠性。

2.2 產(chǎn)品可靠性仿真分析及可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.2.1 產(chǎn)品的載荷分解和應(yīng)力分析。首先要對(duì)發(fā)電機(jī)控制器進(jìn)行熱分析，主要是針對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部環(huán)境和電子模塊及電子模塊自身功耗。通過FLOTHERM5.1進(jìn)行熱分析，發(fā)現(xiàn)散熱不好的區(qū)域，在以后的開發(fā)設(shè)計(jì)中，要更多地考慮該區(qū)域的散熱問題，并且不要把易熱器件裝置在該區(qū)域，或者通過研發(fā)，設(shè)計(jì)出更先進(jìn)的散熱技術(shù)，保證發(fā)電機(jī)控制器穩(wěn)定運(yùn)行。在發(fā)電機(jī)控制器的眾多器件當(dāng)中，通過對(duì)器件的熱力感應(yīng)，可以使設(shè)計(jì)人員根據(jù)器件的過熱應(yīng)力，判斷出眾多器件、模塊的狀態(tài)。如果存在溫度高于175℃或在過熱應(yīng)力大于1的情況下，那么該器件就會(huì)暫時(shí)停止工作，保證發(fā)電機(jī)控制器運(yùn)行穩(wěn)定。通過掌握發(fā)電機(jī)控制器的溫度分布情況，使設(shè)計(jì)人員對(duì)傳熱情況有更好的了解，為以后的開發(fā)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；其次是要對(duì)機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行分析，主要分為整機(jī)震動(dòng)分析和零件疲勞分析。在整機(jī)震動(dòng)分析時(shí)，要采用三個(gè)方向進(jìn)行分析，即X向、Y向、Z向，其結(jié)果是Y向的應(yīng)力值最大，為81.2MPa（見表1）：

在零件疲勞分析時(shí)，主要通過動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用來判斷在震動(dòng)過程中每個(gè)零件所受到的應(yīng)力大小；并運(yùn)用MSCFATIGUE軟件對(duì)零件疲勞進(jìn)行分析，將發(fā)電機(jī)控制器各個(gè)零件的預(yù)測(cè)壽命進(jìn)行量化分析，便于維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)零件進(jìn)行更新，避免故障發(fā)生，保證發(fā)電機(jī)控制器穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.2 產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)及其優(yōu)化。首先要對(duì)AIN模塊的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)AIN模塊上的器件做出有效調(diào)整，保證其有良好的散熱狀態(tài)。在設(shè)備上安裝導(dǎo)熱膠、冷板等裝置，將熱量傳導(dǎo)至發(fā)電機(jī)側(cè)箱，然后以自然散熱的方式將熱量傳導(dǎo)至發(fā)電機(jī)之外；其次要在發(fā)電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)可靠性上進(jìn)行優(yōu)化。如在發(fā)電機(jī)控制器的制造材料，各部件的焊接效果等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高發(fā)電機(jī)控制器的整體剛度，通過一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，可以有效防止因外部震動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)控制器造成的損害。在鎖鉤的改進(jìn)上：首先，在鎖鉤彎曲處可以將其設(shè)計(jì)成圓角，避免受力過于集中；其次，在鎖鉤的制造材料上，則采用先進(jìn)的合金，使鎖鉤具有較強(qiáng)的機(jī)械性能；最后，對(duì)鎖鉤進(jìn)行熱處理，提升其性能。在底座銷釘?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)上，同樣要采用先進(jìn)的合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行熱處理，以提高其的綜合使用性能。表2為運(yùn)用MSCFATIGUE軟件對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的鎖鉤壽命分析（單位：h）：

3 軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)

數(shù)字化平臺(tái)的發(fā)電機(jī)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能、隔離故障等其他功能都要通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，所以說，軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)是發(fā)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過相應(yīng)軟件開發(fā)平臺(tái)，可以對(duì)各種類型的飛機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置，系統(tǒng)也可以更便利地升級(jí)與維護(hù)。

3.1 軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

數(shù)字化平臺(tái)的發(fā)電機(jī)控制器有著相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性，而其優(yōu)越性又要通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。在軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)當(dāng)中，要采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)發(fā)電機(jī)控制器所要完成的工作任務(wù)，將發(fā)電機(jī)控制軟件劃分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序與中斷服務(wù)程序各有分工，從而提高電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.2 系統(tǒng)初始化模塊

系統(tǒng)初始化在系統(tǒng)上電進(jìn)行復(fù)位時(shí)，CPU就會(huì)執(zhí)行上電初始化和系統(tǒng)初始化模塊，主要功能檢測(cè)EPROM和保護(hù)程序所使用RAM是否完好，對(duì)發(fā)電機(jī)控制器進(jìn)行整體

優(yōu)化。

3.3 系統(tǒng)軟件的可靠性設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)的抗干擾能力不能僅依靠硬件系統(tǒng)，軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)同樣重要。而且發(fā)電機(jī)控制器的工作環(huán)境十分復(fù)雜，特別容易受到干擾，因此提升系統(tǒng)軟件的可靠性十分重要。為了保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以采取以下措施：首先，對(duì)硬件部分和易損壞系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在檢修時(shí)有可靠依據(jù)；其次，提升軟件抗干擾能力，保證程序區(qū)不會(huì)受到干擾和侵害；最后，保證RAM中的重要數(shù)據(jù)安全，并能及時(shí)備份，在數(shù)據(jù)丟失的情況下，能夠得到及時(shí)恢復(fù)。

4 結(jié)語

發(fā)電機(jī)控制器是飛機(jī)發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其可靠性將會(huì)影響到發(fā)電機(jī)的正常工作。因此，我們有必要基于數(shù)字化平臺(tái)，通過熱分析、機(jī)械強(qiáng)度和疲勞分析、壽命分析等多個(gè)方面對(duì)發(fā)電機(jī)控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升其可靠性。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）