某型飛機(jī)飛行參數(shù)采集器電源板6.3V 輸出異常故障分析

陳明新，程彥霖，王輝

（國營蕪湖機(jī)械廠，江蘇 蕪湖 241000）

飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)是飛機(jī)上一種重要的機(jī)載電子設(shè)備，用來采集和記錄飛機(jī)飛行過程中的重要數(shù)據(jù)，與飛機(jī)的飛行安全密切相關(guān)。飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)一般由采集器和記錄器組成。某型飛機(jī)飛行參數(shù)采集器采集飛機(jī)航電系統(tǒng)和非航電系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，并將這些信息按照規(guī)定的格式，通過總線傳輸至記錄器保存，同時(shí)采集器電源板輸出6.3V 電壓供機(jī)上傳感器使用。由于飛機(jī)的差異，使飛機(jī)飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)產(chǎn)品偏移，直接影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性，因此為保證記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須對飛行參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)傳感器6.3V 電壓異常時(shí)，直接導(dǎo)致傳感器輸出超差，標(biāo)定無法進(jìn)行或標(biāo)定不準(zhǔn)確。

1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)在地面進(jìn)行飛參標(biāo)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)過載傳感器輸出的模擬電壓值超下限，經(jīng)機(jī)上測量該過載傳感器的供電電壓不到6.2V。斷開過載傳感器機(jī)上電源，外接6.3V工作電壓，過載傳感器輸出的模擬電壓值在正常范圍內(nèi)，故障定位到過載傳感器6.3V 工作電壓時(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)問題。過載傳感器的6.3V 工作電壓由飛行參數(shù)采集器電源板提供，進(jìn)而開展對該電源板6.3V 電路輸出異常的分析。

2 6.3V 生成原理分析

電源板6.3V 電壓生成原理如圖1 所示。D1 型號為OPA512SM，為高功率運(yùn)算放大器；R1、R2 阻值為3.83Ω 電阻，為限制電阻；R5 阻值為6.57kΩ，R6 電阻為10.4kΩ，R5 和R6 構(gòu)成運(yùn)算放大器的反饋回路，決定運(yùn)算放大器的放大比例；R3 和R4 的阻值分別為10.42kΩ、6.69kΩ，起到分壓的作用；C1 為濾波作用；C2 為負(fù)載等效電容。

圖1 電源板6.3V 電壓生成電路圖

D1 由Burr Brown 公司生產(chǎn)，具有輸出功率大、失真小和耐持久的特點(diǎn)。該功放管集成電路內(nèi)置有限壓、限流保護(hù)電路，即使輸入電流高達(dá)15A(峰值)的情況下也能正常工作。該器件的輸出級工作在甲、乙類狀態(tài)，失真小、靜態(tài)電流小。D1 為 6.3V 生成的核心。

從圖1 中，可以看出D1 為同相比例放大器的接法，其放大比例K=1+R5/R6, D1 輸出電壓U=VIN*K。通過計(jì)算可得K=1.632、VIN=10*R4/（R3+R4）=3.91V，從理論上可以計(jì)算得出D1 的理論輸出值為6.35V。

3 6.3V 帶載能力分析

電源板6.3V 為傳感器供電，傳感器為電容和電阻組成的負(fù)載。在直流的條件下，電容的大小不會(huì)引起負(fù)載變化，因此電源板6.3V 的負(fù)載可以等效為純電阻。

通過查閱D1 的器件手冊，其最大帶載的計(jì)算公式為IMAX=((0.65+0.28)*U/(20+RVI))/(R1+0.007)。RVI 為器件輸出電阻（引腳1 的對地電阻），通過測量該值為26.448kΩ。可計(jì)算出當(dāng)前設(shè)計(jì)的最大帶載IMAX=0.169A，即從理論上分析可以得出當(dāng)帶載電阻大于37.3Ω，就將滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際飛機(jī)上6.3V 負(fù)載電阻下限約80Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于37.3Ω，說明設(shè)計(jì)可以保證帶載。

在電源板6.3V 輸出端負(fù)載80Ω 電阻，發(fā)現(xiàn)6.3V 輸出略有降低，但在合格范圍內(nèi)，說明電源板6.3V 輸出在正常帶載情況下不會(huì)引起過載傳感器輸出偏低故障。

4 6.3V 電路控制模型建立與分析

4.1 6.3V 電路控制模型建立

電源板6.3V 電壓電路為典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制模型如下圖2 所示。閉環(huán)傳遞函數(shù)計(jì)算如公式（1）。

圖2 6.3V 電路控制模型框圖

式中：

H（s）—閉環(huán)傳遞函數(shù)；

a（s）—運(yùn)算放大器開環(huán)傳遞模型；

b（s）—容性負(fù)載等效模型；

c（s）—反饋環(huán)路模型。

OPA512SM 運(yùn)算放大器開環(huán)傳遞函數(shù)參考公式（2）等效。

容性負(fù)載主要由運(yùn)算放大器輸出電阻和容性負(fù)載組成,容性負(fù)載等效模型為公式（3）。

式中：

r0—輸出阻抗；

CL—負(fù)載電容（在圖1 中的電容C2）；

輸出阻抗r0的計(jì)算為公式（4）。

式中：

Z0—運(yùn)算放大器開環(huán)時(shí)輸出電阻（RVI）；

α—開環(huán)放大倍數(shù)；

β—反饋因子。

由于α=105,β=R6/(R5+R6)=0.613，Z0=26.448kΩ。可得出r0=43.16Ω。

c(s)為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，其計(jì)算為公式（5）。

將參數(shù)代入公式中（1），軟件中建立的6.3V 電路控制模型如圖3 所示。

圖3 電路控制模型

4.2 6.3V 電路控制分析

6.3V 電路的波特圖如圖4 所示。從圖4 中可以看出產(chǎn)品的自然振蕩頻率為10.1kHz，之后相位極劇下降至-180°，相位裕度不足3°，相對穩(wěn)定性極差，易導(dǎo)致自激振蕩，使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致電路輸出異常。

圖4 電路波特圖

圖5 加裝電容后電路控制模型

5 驗(yàn)證

為排除自激振蕩導(dǎo)致的6.3V 輸出降低故障，在電源板6.3V 輸出端加裝10uF 電容。從圖6 可以看出加裝電容后，相位裕度大幅提高，不存在自激震蕩發(fā)生的可能。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，過載傳感器的供電恢復(fù)正常，過載傳感器輸出值恢復(fù)正常，說明該故障為電路自激震蕩所致。

圖6 加裝電容后電路波特圖