飛機(jī)270 V直流電源供電特性參數(shù)校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

王建強(qiáng)

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100095）

0 引言

飛機(jī)供電特性參數(shù)主要描述機(jī)載用電設(shè)備電源輸入端的供電參數(shù)的品質(zhì)。良好的飛機(jī)電源供電特性應(yīng)具有電壓穩(wěn)定性好、波形畸變小、諧波含量低,以及瞬態(tài)變化范圍窄、非正常工作極限與正常供電差別小等特點(diǎn)。因此飛機(jī)供電特性參數(shù)中的穩(wěn)態(tài)參數(shù)、畸變參數(shù)、諧波參數(shù)(直流電源系統(tǒng)中為脈動(dòng)參數(shù))、瞬態(tài)參數(shù)和非正常工作極限參數(shù),是飛機(jī)供電質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心,也是飛機(jī)電源供電特性測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

270 V高壓直流供電系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電源,當(dāng)前已經(jīng)在F-22A,F-35等飛機(jī)上應(yīng)用,具有良好的應(yīng)用前景。高壓直流電源系統(tǒng)的特點(diǎn)是發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、并聯(lián)方便,主電源和二次電源內(nèi)部損耗小、效率高,電網(wǎng)質(zhì)量輕、對(duì)人體的危害較小[1-2]。針對(duì)上述電源系統(tǒng),相關(guān)主機(jī)廠研制了飛機(jī)270 V直流電源供電特性測(cè)試系統(tǒng),用于發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和電網(wǎng)試驗(yàn)臺(tái)的性能測(cè)試。該系統(tǒng)主要測(cè)試飛機(jī)供電系統(tǒng)中直流電壓、電流等動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)特性以及分析供電品質(zhì),具有采集速率高、數(shù)據(jù)量大、準(zhǔn)確度高、通道數(shù)多、使用方便等特點(diǎn)。測(cè)試系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊及相應(yīng)的傳感器等部分組成。將調(diào)理后的模擬信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集模塊,完成各種動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)的測(cè)試[3]。

為了確保測(cè)量值的準(zhǔn)確可靠,GJB 5109-2004《裝備計(jì)量保障通用要求 檢測(cè)與校準(zhǔn)》明確規(guī)定,武器裝備研制、使用、維護(hù)等過(guò)程中的測(cè)試系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后才能投入使用。針對(duì)飛機(jī)270 V直流電源供電特性測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)需求,基于寬帶精密放大、高偏置電壓放大和寬帶分壓等技術(shù),研制了校準(zhǔn)裝置;根據(jù)GJB 5189-2003《飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法》、GJB 5558-2006《飛機(jī)供電特性測(cè)試要求》、GJB 181B-2012《飛機(jī)供電特性》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了校準(zhǔn)方法的研究[4-6],并基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái),編寫校準(zhǔn)程序,最終形成了飛機(jī)270 V直流電源供電特性測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)的校準(zhǔn),確保飛機(jī)270 V直流電源供電特性測(cè)試系統(tǒng)量值的準(zhǔn)確性、可靠性、統(tǒng)一性,進(jìn)而保證飛機(jī)的研究、生產(chǎn)以及將來(lái)的維護(hù)質(zhì)量。

1 校準(zhǔn)裝置組成原理

校準(zhǔn)裝置組成原理如圖1所示,計(jì)算機(jī)控制任意波形發(fā)生模塊,基于直接數(shù)據(jù)合成技術(shù)計(jì)算需要輸出的波形并輸出至寬帶功率放大器,其中寬帶功率放大器A主要完成高偏置信號(hào)放大,實(shí)現(xiàn)畸變和脈動(dòng)信號(hào)的輸出,寬帶功率放大器B主要完成高精度高增益信號(hào)放大,實(shí)現(xiàn)幅度瞬變信號(hào)的輸出[7]。輸出的校準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)寬帶分壓模塊衰減后由高精度數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集,計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理得到校準(zhǔn)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)值,通過(guò)與被測(cè)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,完成校準(zhǔn)[8]。

圖1 校準(zhǔn)裝置組成Fig.1 Diagram of calibration device composition

2 校準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)GJB 5189-2003《飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法》、GJB 5558-2006《飛機(jī)供電特性測(cè)試要求》、GJB 181B-2012《飛機(jī)供電特性》等標(biāo)準(zhǔn)研究校準(zhǔn)方法,基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái),編寫校準(zhǔn)程序。

校準(zhǔn)程序按照功能主要分為兩個(gè)部分:①儀器控制部分,包括任意波發(fā)生模塊和高速高精度A/D模塊;②數(shù)據(jù)處理、分析以及顯示部分,該部分對(duì)直流電壓畸變頻譜信號(hào)進(jìn)行加窗截?cái)嗖?shí)現(xiàn)短時(shí)傅里葉變換,從而得到頻譜信息。

實(shí)際編程過(guò)程中,按照功能的關(guān)聯(lián)程度將軟件規(guī)劃為三個(gè)部分:穩(wěn)態(tài)直流電壓和瞬變直流電壓輸出單元、直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動(dòng)輸出單元、信號(hào)的采集分析單元。

2.1 穩(wěn)態(tài)直流電壓和瞬變直流電壓輸出

穩(wěn)態(tài)直流電壓和直流電壓瞬變?cè)谳敵鲭妷旱奶卣魃暇哂幸恢滦?且二者經(jīng)過(guò)任意波形發(fā)生器模塊模擬后的信號(hào)均通過(guò)高增益放大器進(jìn)行放大和輸出[9-10],因此將二者合并為軟件的一個(gè)單元,其流程圖如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)直流電壓和直流電壓瞬變單元流程圖Fig.2 Flow chart of steady-state DC voltage and DC voltage transient unit

2.2 直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動(dòng)輸出

直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動(dòng)在輸出電壓的特征上具有一致性[11],且二者經(jīng)過(guò)任意波形發(fā)生器模塊模擬后的信號(hào)均通過(guò)低增益、高偏置電壓放大器進(jìn)行放大和輸出,因此將二者合并為軟件的一個(gè)單元,流程圖如圖3所示。

圖3 直流電壓畸變和脈動(dòng)單元流程圖Fig.3 Flow chart of DC voltage distortion and ripple unit

2.3 信號(hào)的采集和分析

信號(hào)采集和分析單元根據(jù)不同的信號(hào)類型,按照不同的采樣率和采樣時(shí)間運(yùn)行,并調(diào)用不同的后處理算法,可以得到穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、畸變和脈動(dòng)不同的校準(zhǔn)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)值[12-14],其中,穩(wěn)態(tài)直流電壓信號(hào)主要通過(guò)低通濾波并求取均值的算法獲得;瞬態(tài)直流電壓輸出時(shí)會(huì)提供觸發(fā)信號(hào),使校準(zhǔn)裝置的采集功能與測(cè)試系統(tǒng)的采集得以同步,信號(hào)采集和分析單元以足夠的采樣率獲得瞬態(tài)直流電壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變化過(guò)程,并與測(cè)試系統(tǒng)得到的波形進(jìn)行對(duì)比;畸變和脈動(dòng)信號(hào)通過(guò)短時(shí)傅里葉變換算法獲得,選擇窗函數(shù)的原則是:讀取頻率值時(shí)選擇矩形窗函數(shù),讀取幅度值時(shí)選擇布萊克曼窗函數(shù)。

信號(hào)的采集與分析功能軟件的流程圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)采集和分析單元流程圖Fig.4 Flow chart of signal acquisition and analysis unit

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)大綱,針對(duì)某型戰(zhàn)機(jī)電源系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了該校準(zhǔn)系統(tǒng)的功能和技術(shù)參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)[15-16]。試驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,畸變測(cè)量功能由于采樣率的設(shè)置問(wèn)題有不符合要求的測(cè)試點(diǎn),提高采樣率之后即能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 穩(wěn)態(tài)直流電壓功能驗(yàn)證

穩(wěn)態(tài)直流電壓輸出范圍為100～350 V,在穩(wěn)態(tài)直流電壓為額定值時(shí),最大允許相對(duì)誤差在±0.5%范圍內(nèi)。

運(yùn)行專用校準(zhǔn)軟件,飛機(jī)高壓直流供電特性測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置按照標(biāo)準(zhǔn)值逐點(diǎn)輸出,被測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)直流電壓輸出Tab.1 Steady state DC voltage output

如表1所示,按照穩(wěn)態(tài)直流電壓的測(cè)量范圍(100～350 V)選取十個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn),出現(xiàn)的最大誤差為-0.014%,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)“在穩(wěn)態(tài)直流電壓為額定值時(shí),測(cè)量的相對(duì)誤差應(yīng)在±0.5%以內(nèi)”的要求。

3.2 直流電壓畸變頻譜功能驗(yàn)證

直流電壓畸變頻率(f)范圍為10 Hz～100 kHz。當(dāng)f≤50 kHz時(shí),畸變頻譜幅值誤差在±2 dB范圍內(nèi);當(dāng)f＞50 kHz時(shí),畸變頻譜幅值誤差在±5 dB范圍內(nèi)。

運(yùn)行專用校準(zhǔn)軟件,控制校準(zhǔn)裝置按表2逐點(diǎn)輸出畸變信號(hào)分量,被測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 直流電壓畸變頻譜Tab.2 DC voltage distortion spectrum

表3 直流電壓畸變頻譜測(cè)量結(jié)果Tab.3 Measurement result of DC voltage distortion spectrum

直流電壓畸變頻譜測(cè)試中,將10 Hz至100 kHz頻段內(nèi)的交流小信號(hào)與270 V直流信號(hào)疊加輸入測(cè)試系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試系統(tǒng)“畸變頻譜幅值(以方均根值1.0 V為基準(zhǔn)的分貝數(shù))的誤差為:頻率不超過(guò)50 kHz時(shí),誤差不超過(guò)±2 dB,頻率大于50 kHz時(shí),誤差不超過(guò)±5 dB”。對(duì)比測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量值與校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)值可知,被測(cè)系統(tǒng)的20 kHz頻點(diǎn)超過(guò)最大誤差限值,這是由于測(cè)試系統(tǒng)在20 kHz處的頻率分辨力不足,在設(shè)置為20 kHz時(shí),實(shí)測(cè)為頻率19.825 kHz的幅值,導(dǎo)致結(jié)果不滿足要求,當(dāng)提高采樣頻率或增加采樣點(diǎn)數(shù)后,均可使該頻點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果滿足要求。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):其他條件無(wú)變化時(shí),只要采樣率達(dá)到信號(hào)頻率的20倍以上,就容易獲得10-5量級(jí)頻譜頻率分析準(zhǔn)確度和10-3以上的幅度的分析準(zhǔn)確度,繼續(xù)提升采樣率無(wú)法顯著提高直流電壓畸變頻譜信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確度,故應(yīng)考慮其他因素的影響,如測(cè)試系統(tǒng)的信噪比等。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)添加噪聲的方式,驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感程度。其他條件不變的情況下,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)信噪比由20 dB提高至110 dB,測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算得到的直流電壓畸變頻譜信號(hào)的頻率誤差ef、幅度誤差ev和相位誤差eΦ均有顯著提升,變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 信噪比對(duì)畸變頻譜測(cè)量誤差的影響Fig.5 Influence of SNR on measurement error of distorted spectrum

3.3 直流電壓脈動(dòng)功能驗(yàn)證

直流電壓脈動(dòng)的頻率范圍為1.2～16.8 kHz,幅值最大允許誤差在±3%范圍內(nèi)。

運(yùn)行專用校準(zhǔn)軟件,校準(zhǔn)裝置根據(jù)表4的測(cè)試項(xiàng)輸出直流電壓脈動(dòng)信號(hào),被測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表4 直流電壓脈動(dòng)Tab.4 DC voltage ripple

表5 直流270 V脈動(dòng)測(cè)量結(jié)果Tab.5 Measurement result of DC voltage ripple

直流電壓脈動(dòng)類似于交流電源系統(tǒng)中的諧波,由于270 V直流電壓由400 Hz交流電壓整流得到,因此脈動(dòng)信號(hào)的頻率均為400 Hz頻率的諧波小信號(hào),由表5測(cè)試結(jié)果可知,該測(cè)試系統(tǒng)的直流電壓脈動(dòng)測(cè)量功能滿足“幅值最大允許誤差在±3%范圍內(nèi)”的要求。

3.4 直流電壓瞬變功能驗(yàn)證

直流電壓輸出范圍為0～350 V,當(dāng)電壓最大時(shí),最大允許相對(duì)誤差在±1%范圍內(nèi)。

運(yùn)行校準(zhǔn)軟件,按照表6的測(cè)試項(xiàng)輸出直流電壓瞬變信號(hào),被測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表6 直流電壓瞬態(tài)Tab.6 DC voltage transient

表7 直流電壓瞬態(tài)測(cè)量結(jié)果Tab.7 Measurement result of DC voltage transient

測(cè)試系統(tǒng)得到的波形如圖6和圖7所示。

圖6 直流電壓瞬變波形圖1Fig.6 Waveform 1 of DC voltage transient

圖7 直流電壓瞬變波形圖2Fig.7 Waveform 2 of DC voltage transient

根據(jù)GJB 5189-2003《飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法》的相關(guān)規(guī)定,針對(duì)直流電壓瞬變信號(hào),在最大極限范圍時(shí),測(cè)量的相對(duì)誤差應(yīng)在±1%范圍內(nèi),比較表6和表7的標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值可知,瞬變電壓幅度最大誤差為-0.03%,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)飛機(jī)270直流電源供電特性測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際校準(zhǔn)需求,結(jié)合GJB5189-2003《飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行了測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法的研究。結(jié)果表明,基于寬帶精密放大和分壓技術(shù)可以解決大動(dòng)態(tài)范圍交直流疊加信號(hào)的溯源問(wèn)題。下一階段,隨著多電/全電飛機(jī)技術(shù)的突破,飛機(jī)電源功率密度日益增大,機(jī)載用電設(shè)備數(shù)量增加,電源供電特性也相應(yīng)發(fā)生了顯著變化,如采用交流、直流結(jié)合的電源系統(tǒng),同時(shí),單個(gè)用電設(shè)備負(fù)載增加,為飛機(jī)電源供電品質(zhì)提出了新的挑戰(zhàn)。新一代啟動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電源供電特性測(cè)試系統(tǒng)和校準(zhǔn)裝置都提出了新的要求,尤其在應(yīng)對(duì)浪涌電流、電源諧波、電壓不平衡、電壓畸變和電壓瞬態(tài)特性問(wèn)題等方面,應(yīng)提早部署,統(tǒng)籌安排測(cè)試和計(jì)量技術(shù)的研究進(jìn)程[17]。