直升機交流電源系統電壓跳動故障分析

裴翔，李錚

（1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333000；2.中國人民解放軍91548部隊，遼寧興城，125100）

0 引言

直升機交流電源系統一般由三部分組成：交流發電機、交流發電機控制器和電流互感器[1～2]。交流發電機一般由主減或APU 驅動，由交流發電機控制器控制向機上提供三相交流電；交流發電機控制器用于交流電源系統電壓調節與故障保護，控制交流發電機的并網，并將交流電源系統相關數據、狀態通過總線上報給上位機進行顯示和記錄；電流互感器與交流發電機、交流發電機控制器配套使用，作為交流電源系統主饋線差動保護檢測部件，并檢測交流發電機輸出電流[3～4]。本文通過對直升機交流電源系統飛行過程中電壓跳變進行故障分析，通過故障樹的方法進行故障定位，提出有效改進措施，避免后續出現同類型故障。

1 概述

直升機在地面起動過程中，撥動交流發電機開關，交流發電機正常發電并網；直升機飛行一段時間后，機上上報交流電源系統故障。后續從飛參記錄數據上查詢，交流發電機電壓跳動后在某段時間內掉為零，同時上報交流電源系統故障。

2 故障定位分析

根據故障現象分析，直升機交流電源系統電壓跳動故障可能由交流發電機控制器導致，依據油冷交流發電機控制器的工作原理，建立產品電壓跳動原因故障樹見圖1 所示。

圖1 電壓跳動故障樹

由故障樹可知，導致產品電壓跳動的原因有：

(1)控制器線路故障；(2)調壓點采樣電路故障；(3)調壓芯片故障；(4)勵磁繼電器故障；(5)發電機開關抖動；(6)控制器軟件復位。

對上述故障原因進行逐一分析：

(1)控制器線路故障

在放大鏡下檢查故障件，故障件無虛焊焊點，線路沒有燒灼和損傷跡象。給故障件通+28V 電與115V 調壓點電壓做開環測試，通信中發送800 個數據，通過串口通信測得接收3200 個數據，過壓、欠壓、過頻、欠頻性能測試均正常。可確定控制器線路無故障，因此控制器線路故障的因素可以排除。

(2)調壓點采樣電路故障

調壓電路采樣是將調壓點電壓（三相交流電壓）經過整流、濾波、分壓后的電壓（圖2 中的TP1 電壓信號）采集到脈寬調制芯片，若調壓電路采樣故障會引起TP1 點電壓變化，從而影響發電電壓值。

圖2 調壓采樣電路

給故障件通28VDC 工作電壓，調壓點施加三相100VAC、105VAC、110VAC、115VAC 電壓，用萬用表測得TP1 點電壓值分別為4.437VDC、4.650VDC、4.868VDC、5.084VDC，符合設計要求，用記錄儀觀測115VAC 時TP1 點電壓波形如圖3 所示，可見調壓采樣電壓沒有波動，因此產品調壓點采樣電路故障的因素可以排除。

圖3 115VAC 時TP1 電壓波形

(3)調壓芯片故障

調壓芯片（圖4 中的U10）是將通過輸出PWM 波（U10的11 腳和14 腳）控制勵磁功率管（圖4 中的Q6）的開關從而控制勵磁電流，從而實現電壓的調節，其原理如圖4所示。若調壓芯片故障則使故障件失去電壓調節功能。

圖4 調壓電路

給故障件通28VDC 工作電壓，調壓點施加三相115VAC 電壓，用示波器測試脈寬調制芯片的各個引腳電壓與波形均正常。調節交流電源輸出115.5VAC 電壓通過記錄儀觀測到輸出PWM 波周期為91.5μs，如圖5 所示，高電平導通時間為82μs,如圖6 所示，占空比為89.6%，改變三相電源的輸出電壓，占空比逐步變化，如圖7 所示，符合設計要求。可確定調壓芯片無故障，因此調壓芯片故障可以排除。

圖5 調壓芯片周期值

圖6 調壓芯片PWM 波高電平導通時間

圖7 調壓芯片占空比變化圖

(4)勵磁繼電器故障

電機的PMG 電壓通過勵磁繼電器（圖8 中的K3）到故障件內部后整流成勵磁電壓。若勵磁繼電器因故障跳動，故障件內部勵磁電壓也將不連續，電機的發電電壓跳動。對控制器開環測試，用三相交流電源模擬PMG 電壓，直流電源給出勵磁繼電器的控制器信號，使勵磁繼電器接通，記錄儀監測PWR 與PWR GND 之間的電壓波形均正常，如圖9所示。可確定勵磁繼電器無故障，因此勵磁繼電器故障可以排除。

圖8 PMG 電壓整流程勵磁電壓

(5)發電機開關抖動

若發電機開關抖動，則會導致勵磁繼電器控制信號抖動，使勵磁繼電器跳動，導致發電電壓跳動。故障件閉環做發電測試，用記錄儀檢測發電機開關信號正常，未出現跳動如圖10 所示，且軟件中已進行防抖處理。可確定發電機開關無故障，因此發電機開關抖動可以排除。

圖10 發電開關電壓波形

(6)控制器軟件復位

故障件正常做發電測試，撥發電開關，勵磁繼電器出現跳動，用示波器監測勵磁繼電器控制信號和勵磁電壓信號，如圖11 所示。從圖上看，信號具有60ms 周期性，軟件中使勵磁控制信號為高的時間也約為60ms，因此可以判斷是軟件復位導致勵磁控制信號跳動，使發電電壓跳動。

圖11 勵磁控制信號與勵磁電壓信號

在電壓跳動過程中，系統剛發電時監測到系統地線上的尖峰信號較多，且只有勵磁電流接通瞬間，尖峰信號會很大，用示波器檢測系統地線與勵磁地線PWR GND 上的電壓差，如圖12 所示。

圖12 系統地線與勵磁地線電壓差

綜上所述，導致產品電壓跳動的原因為系統地線與勵磁地線PWR GND 在勵磁接通過程與系統地有很大壓差，導致DSP 的信號地受到干擾，使DSP 重啟。DSP 重啟復位初始化過程中，勵磁繼電器將斷開，發電電壓變低；DSP 正常工作后判斷滿足發電條件，勵磁繼電器會吸合，又重新發電，上述循環不斷往復，使發電電壓電壓跳動，故障定位。

3 機理分析

在產品內部，地信號有28VGND、DGND、GND 與PWR GND，其功能如表1 所示，交聯關系如圖13 所示。

表1 地線功能表

圖13 地線交聯關系圖

圖14 電源監控電路

根據問題定位分析，導致電壓跳動的機理為：調壓芯片通過輸出不同占空比的脈沖控制MOS 管的通斷來控制勵磁電流的大小。在發電過程中，勵磁功率管快速開關，在功率管導通瞬間在勵磁地上產生較大的尖峰電流，尖峰電流通過地線回路，尖峰電流會抬高地線電壓至1V 左右（見圖12），此電壓的存在會使作用在DSP 芯片上的5V 電壓出現4V 左右的尖峰電壓。電源監控芯片用的是MAX1232，按照圖13 的接線方式，最大允許電源的誤差為5%即（4.75～5.25）V，在遇到4V 的尖峰電壓時，電源監控芯片會觸發復位指令，使DSP 復位重啟。DSP 復位重啟初始化過程中，勵磁繼電器將斷開，發電電壓變低；DSP 正常工作后判斷滿足發電條件，勵磁繼電器會吸合，又重新發電，上述循環不斷往復，使發電電壓電壓跳動，故障定位。

4 故障復現

對故障件故障復現測試，先將該產品的PWR GND 與GND、DGND、28VGND 隔離開來，閉環發電試驗，控制臺將電機的轉速設為12000rpm，接通發電開關，產品發電并網均正常。多次試驗后，發電并網也正常。將該產品的PWR GND 與GND、DGND、28VGND 短接起來，進行發電試驗，接通發電開關，多次試驗后，勵磁繼電器控制信號出現高低電平變化，使勵磁電壓不停跳動，不能并網，與機上現象一致，問題復現。用示波器監測的勵磁繼電器控制信號與勵磁電壓信號波形如圖15 所示。

圖15 勵磁繼電器控制信號與勵磁電壓信號

5 改進措施

根據問題定位及機理分析，采取的主要措施如下：

(1)取消產品內部PWR GND 的地線回路，即PWR GND 不與任何地線相連。對于GND、28VGND、DGND 僅在各自獨立電源回路的末端連接即在母板上相連后經濾波器接到飛機殼體上。各自電源閉環走完回到各自電源的地線上，在各獨立電源末端端口處連接，這樣就不會出現不同類型的電流信號在信號板上共用相同回路的情況，從而降低不同類型的電流信號彼此之間的干擾。改進后的地線如圖16所示。

圖16 改進后地線圖

(2)為防止因干擾引起DSP 復位，致使發電故障，增加鎖存電路如圖17 所示。基本原理如下：在正常發電過程中，鎖存器U66 的11 腳為高電平，可以將DT1 調壓芯片的使能信號、DCR TRIP 勵磁繼電器斷開信號、DCR CLOSE勵磁繼電器閉合信號、DGB RELAY 接觸控制器信號進行實時傳輸，保持信號的時效性。若遇到干擾使DSP 復位，鎖存器U66 的11 腳為低電平，進入鎖存狀態，使DT1、DCR TRIP、DCR CLOSE、DGB RELAY 維持干擾前的狀態，干擾不會影響信號變化，待干擾過去后，U66的11腳變為高電平，又能實時傳輸信號。

圖17 鎖存原理圖

鎖存原理如表2 所示。

表2 鎖存電路工作表

當上電完成后，接通發電機開關，DSP 給發電并網信號相應電平，準備發電的狀態。當鎖存器打開后，信號通過鎖存器后發電。當DSP 復位時，為低電平，芯片被鎖住，信號不能傳遞，維持之前的發電狀態。當DSP 復位完成后，準備發電狀態，將芯片解鎖，發電狀態仍然保持。根據上述原理，對軟件進行相應更改。相比上一版的程序，增加了在進入主程序前，進行頻率采集與接通勵磁操作。當上述操作準備好后，打開鎖存器，進行狀態鎖存。

6 結論

綜上分析，交流電源系統電壓跳變由于交流發電機控制器在勵磁接通過程中，勵磁電流較大，在勵磁地上有較大的脈動電流，脈動電流通過地線回路，使地線之間不平衡，導致軟件重啟。軟件重啟后，勵磁繼電器將重新吸合，勵磁重新接通，不斷循環往復，使發電電壓跳動。

交流電源系統作為直升機的主電源系統，可靠性對直升機飛行安全極其重要。上述改進措施落實后，通過后期試飛驗證，交流電源系統工作正常。綜上所述，該改進措施有效解決交流電源系統電壓跳變故障，避免后續此類故障的發生。