航空地面交流電源測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李勛章，趙宏強(qiáng)，王 彬

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島266041）

航空地面交流電源是飛機(jī)地面保障的重要裝備，用于提供飛機(jī)啟動(dòng)升空的地面直流供電，其供電品質(zhì)的好壞直接關(guān)系到起飛成功率，須在對飛機(jī)供電前進(jìn)行其供電性能的檢測。目前飛機(jī)場站主要依靠人工的方式手動(dòng)進(jìn)行交流供電性能檢測，測試過程復(fù)雜，無法保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確度，據(jù)此，有必要研制一套全自動(dòng)的交流供電測試系統(tǒng)。本文介紹的測試系統(tǒng)根據(jù)國軍標(biāo)GJB572A-2006 和GJB5189-2003 的要求[1]，依托自動(dòng)化測試技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對交流供電參數(shù)的檢測，并通過數(shù)據(jù)采集分析及處理、結(jié)果顯示及打印等方式，完成交流供電性能的判定及人機(jī)交互。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)功能：提供一個(gè)交流通電負(fù)載，對電源進(jìn)行供電加載，在加載的過程中完成對交流供電穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)測量，通過開發(fā)的上位機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析，形成測試結(jié)果，通過觸摸顯示屏、操作臺(tái)及打印機(jī)等完成人機(jī)交互功能[2]。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖見圖1，依據(jù)已介紹的設(shè)計(jì)功能，測試系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)為如下子系統(tǒng)：

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram

（1）控制子系統(tǒng)：完成開關(guān)量信號(hào)輸出和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)采集與處理及人機(jī)交互等功能，包括：PC104 單板機(jī)、觸摸顯示屏、操作臺(tái)、打印機(jī)等；

（2）軟件子系統(tǒng)：完成數(shù)據(jù)的處理及分析功能；

（3）執(zhí)行子控系統(tǒng)：完成檢測過程的控制功能，包括：I/O 板卡、功率放大電路；

（4）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：完成加載過程中的信號(hào)采集功能，包括：A/D 板卡、信號(hào)處理電路；

（5）通電負(fù)載：完成模擬飛機(jī)電阻特性的功能。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括：控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、執(zhí)行控制子系統(tǒng)、通電負(fù)載等。

2.1 控制子系統(tǒng)

2.1.1 PC104 單板機(jī)

測試系統(tǒng)采用MSM800 系列PC104 型單板機(jī)，CPU 為主頻率500 MHz 的GEODELX800，配置有BIOS ROM、并行接口、IDE 硬盤接口、2 個(gè)RS232 串行通訊接口、鍵盤接口、LCD/VGA 視頻接口、PC/104的ISA 總線、PC104+的PCI 總線、鼠標(biāo)接口、4 個(gè)USB 2.0 接口等，體積小、擴(kuò)展性強(qiáng)，可方便地連接到各型DAQ 板卡和觸摸顯示屏，可搭載WINDOWS XP 操作系統(tǒng)[2]。

2.1.2 觸摸顯示屏

由于實(shí)際工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣、工作場所地域跨度大，對測試系統(tǒng)工作環(huán)境溫度指標(biāo)要求較高，經(jīng)過反復(fù)參數(shù)比對，最終選用研華公司的FPM-2120G工業(yè)觸摸顯示屏，該顯示屏采用鋁制面板，設(shè)計(jì)牢固，屏幕采用鋼化玻璃，具有反光功能，符合IP65標(biāo)準(zhǔn)，并搭配了電阻式觸摸屏和VGA 接口，能夠與PC104 單板機(jī)進(jìn)行快捷聯(lián)機(jī)[3]。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2.1 A/D 板卡

采集信號(hào)中，頻率最大的交流信號(hào)為400 Hz，并且要求三相同時(shí)采樣，所以采集信號(hào)最高頻率實(shí)際為fmax=400×3 Hz，即fmax=1.2 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采集系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換頻率應(yīng)滿足fs≥2×fmax，即fs≥2.4 kHz。

同時(shí)系統(tǒng)要求的測量精度為0.5 級，即測量誤差為5‰，綜合系統(tǒng)誤差和轉(zhuǎn)換誤差，滿足系統(tǒng)要求的A/D 芯片轉(zhuǎn)換精度要達(dá)到10 位以上，即滿足分辨率大于1‰。

據(jù)上述指標(biāo)分析，最后采用了研華公司的PCL818L型數(shù)據(jù)采集板卡，該板卡為單端輸入的ISA 板卡，轉(zhuǎn)換速度為40 K/S，轉(zhuǎn)換精度為12 位，轉(zhuǎn)換通道為16 單端通道或8 路差分模擬量輸入，每個(gè)通道的增益可以變成符合系統(tǒng)要求，可與PC/104 的ISA 總線進(jìn)行連接。

2.2.2 信號(hào)處理電路

1）交流電流信號(hào)調(diào)理

系統(tǒng)加載時(shí)的交流電流范圍為0～90 A[4]，為了實(shí)現(xiàn)向小電壓信號(hào)的變換，采用的檢測方案為先通過一個(gè)300 A/5 A 的交流電流互感器，將0～300 A大電流線性轉(zhuǎn)換至0～5 A 小交流，然后再通過5 A/1 mA 的交流電流互感器T1將電流轉(zhuǎn)換至0～1 mA，再繼續(xù)通過1 mA/1 mA 的精密電流型電壓互感器T2進(jìn)行隔離，輸出端通過50 Ω 的電阻，將電流變?yōu)?～50 mV 直流電壓。具體電路圖如圖2所示。

圖2 交流大電流轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)電路圖Fig.2 Diagram of converting large AC current into small voltage signal

為了將此電壓轉(zhuǎn)換成可被A/D 板卡接收的0～5 V直流電壓，需要進(jìn)一步進(jìn)行信號(hào)處理，采用的方案為通過兩級運(yùn)算放大處理，第一級進(jìn)行放大，第二級進(jìn)行電壓跟隨，提高帶負(fù)載能力[5]，具體的電路圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理電路圖Fig.3 Signal processing diagram

采用了低溫漂的OP77GS 作為運(yùn)算放大器，為了提高共模抑制比，采用了同相輸入比例運(yùn)算放大方式[5]，其中C1濾波電容完成信號(hào)高頻信號(hào)濾除，運(yùn)算傳遞函數(shù)為

將各個(gè)電阻的阻值帶入進(jìn)行計(jì)算可得到：

R4的取值范圍為0～150 k，使用時(shí)將其調(diào)整到98 k 阻值，可計(jì)算出：

即可有效地將0～50 mV 交流微電壓變?yōu)?～5 V交流電壓，同時(shí)有效地解決了共模抑制比問題。

2）交流電壓信號(hào)調(diào)理

系統(tǒng)加載時(shí)的交流電壓范圍為0～115 V，為了實(shí)現(xiàn)向小電壓信號(hào)的變換，采用的檢測方案為先通過3 個(gè)100 kΩ 串聯(lián)電阻，將0～300 V 大交流電壓線性轉(zhuǎn)換至0～1 mA 小交流電流，然后再通過1 mA/1 mA 的精密電流型電壓互感器T1進(jìn)行隔離，輸出端通過50 Ω 的電阻，將電流變?yōu)?～50 mV 直流電壓。具體電路圖如圖4所示。

圖4 交流大電壓轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)電路圖Fig.4 Diagram of converting large AC voltage into small voltage signal

為了將此電壓轉(zhuǎn)換成可被A/D 板卡接收的0～5 V 直流電壓，需要進(jìn)一步進(jìn)行信號(hào)處理，采用的方案與交流電流的檢測方案相同。

2.3 執(zhí)行控制系統(tǒng)

2.3.1 I/O 板卡

系統(tǒng)采用研華公司PCL730 開關(guān)量控制板卡，該板卡具有32 路隔離通道，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200 mA，能夠?qū)崿F(xiàn)對功率放大電路的驅(qū)動(dòng)，符合系統(tǒng)要求，與PC/104 的ISA 總線的聯(lián)機(jī)便捷[6]。

2.3.2 功率放大電路

功率放大電路完成控制信號(hào)的隔離控制及功率放大，主要進(jìn)行了開關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。該電路通過光電隔離器件將開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行輸入和輸出的隔離處理。隔離芯片型號(hào)為東芝PS8701，隔離電壓≥3 kV，響應(yīng)速度≤1 μs，抗震性能優(yōu)良[7]，適合本系統(tǒng)。具體電路如圖5所示。

圖5 開關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路Fig.5 Switch signal conditioning circuit

2.4 通電負(fù)載

2.4.1 負(fù)載電路設(shè)計(jì)

航空地面交流電源供電要求[8-9]：①交流電源115 V （相電壓）/200 V （線電壓），400 Hz 三相四線制；②額定電流為90 A；③突變功率因數(shù)為1.0 的80%額定電流加載（國軍標(biāo)規(guī)定檢測內(nèi)容）；④突變功率因數(shù)為0.6（滯后）的150%額定電流加載（國軍標(biāo)規(guī)定檢測內(nèi)容）。負(fù)載設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 負(fù)載設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Load design block diagram

C1接觸器工作時(shí)，C2、C3接觸器不工作，電路加載90 A 純電阻負(fù)載。

C1、C2、C3接觸器工作，L1、R1、R4配合，L2、R2、R5配合，L3、R3、R6配合，使cosφ 由0.6～1 可調(diào)加載，電流范圍60 A～90 A 之間。

2.4.2 材料選擇

以往的電源通電試驗(yàn)時(shí)，負(fù)載材料多為康銅絲，近年來陸續(xù)出現(xiàn)很多新型材料[9]，課題組先后對康銅、鐵鉻鋁、鎳鉻帶進(jìn)行加載試驗(yàn)，從耐受高溫、工作壽命及機(jī)械性能等多方面進(jìn)行比較，最后選定鐵鉻鋁為負(fù)載材料，該材料耐受高溫、工作時(shí)間較長、溫度漂移系數(shù)低，符合該負(fù)載制作。采用耐高溫陶瓷作為支撐架，解決了負(fù)載在高溫下機(jī)械性變化而發(fā)生粘連的問題，采用了強(qiáng)制風(fēng)冷方法進(jìn)行加載過程中冷卻。

3 軟件系統(tǒng)

采用基于WINDOWS XP 操作系統(tǒng)的C++BUILDER 模塊化編程語言完成軟件系統(tǒng)的開發(fā)，主要內(nèi)容包括：顯示界面設(shè)計(jì)、板卡硬件驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和封裝、電信號(hào)算法設(shè)計(jì)、波形顯示及調(diào)用回放等程序開發(fā)[10]，部分軟件設(shè)計(jì)示例如圖7、圖8所示。

圖7 交流相序相移等測試Fig.7 AC phase sequence phase shif test，etc

圖8 交流波形品質(zhì)測試Fig.8 AC waveform quality test

4 實(shí)際應(yīng)用

文中測試系統(tǒng)在多個(gè)飛機(jī)地面保障場所投入使用。自應(yīng)用以來，能夠在飛機(jī)啟動(dòng)供電前，完成對航空地面交流電源供電性能的檢測，節(jié)省大量人力物力，提高了裝備的保障效率，使用價(jià)值較高。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以PC104 系列單板機(jī)為核心的航空地面交流電源供電性能測試系統(tǒng)，結(jié)合交流負(fù)載設(shè)計(jì)和電量處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了航空地面交流電源供電性能的測試，解決了目前飛機(jī)地面保障在該領(lǐng)域測試方法單一及效率低的問題，具有較好的應(yīng)用前景，同時(shí)對其他類型航空地面測試儀器的研發(fā)具有一定的借鑒意義。