機(jī)載電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

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(1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

0 引言

機(jī)載電源的供電質(zhì)量直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全和機(jī)載用電設(shè)備的正常工作[1]。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載用電設(shè)備日益多樣化和復(fù)雜化。在電子試驗(yàn)機(jī)試飛環(huán)境中，部分機(jī)載用電設(shè)備(感性、容性)，特別是開(kāi)關(guān)設(shè)備在加載或卸載時(shí)，可能會(huì)對(duì)機(jī)載電源造成瞬時(shí)沖擊、電壓跌落、諧波分量增大等現(xiàn)象，產(chǎn)生的瞬時(shí)電磁干擾可能會(huì)造成部分機(jī)載用電設(shè)備異常運(yùn)行，嚴(yán)重影響著各項(xiàng)試驗(yàn)的開(kāi)展和整機(jī)的安全運(yùn)行。即使單個(gè)設(shè)備已經(jīng)通過(guò)了符合機(jī)載用電設(shè)備的各項(xiàng)電磁指標(biāo)，電子試驗(yàn)機(jī)掛載的設(shè)備復(fù)雜度高，難免有相互影響的情況出現(xiàn)，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)機(jī)載用電設(shè)備之間對(duì)機(jī)載電源的影響。同時(shí)，當(dāng)機(jī)載用電設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)狀況或持續(xù)不正常運(yùn)行且并未觸發(fā)機(jī)載電源繼保系統(tǒng)時(shí)，無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)此類(lèi)情況進(jìn)行故障的定位分析。綜上，亟需一種機(jī)載電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)C(jī)載電源工作特性和供電質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)的在線監(jiān)測(cè)。而目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要在地面環(huán)境下對(duì)機(jī)載電源或地面電源的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工作特性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-6]，測(cè)試時(shí)間短暫，無(wú)法預(yù)防飛機(jī)試飛過(guò)程中的偶然情況。本文研制的機(jī)載電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流電壓和電流進(jìn)行持續(xù)在線同步采集，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的快速運(yùn)算得到其多工作特性參數(shù)，并顯示和存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)判斷異常工作狀態(tài)，對(duì)異常工作點(diǎn)的電壓、電流進(jìn)行錄波，以便后期分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)載電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由高性能專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、高速同步數(shù)據(jù)采集卡、電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、觸摸顯示屏及傳感器組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器將機(jī)載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流的電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)采集卡輸入范圍(-10～+10 V)的差分電壓信號(hào)，通過(guò)上位機(jī)軟件控制數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算，得到機(jī)載電源的各項(xiàng)工作特性參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，并對(duì)異常工作點(diǎn)的電壓、電流進(jìn)行錄波，以便后期分析。

系統(tǒng)采用DAQ-2010高速同步數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡是基于PCI總線，支持4通道模擬信號(hào)的同步采集，具有14位A/D分辨率，單通道最高采樣率2 MS/s，可以為每通道提供采樣率500 kS/s，并支持差分輸入方式。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置了三塊DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡，分別用于三相交流電壓的同步采集，三相交流電流的同步采集和28 V直流電壓電流的同步采集。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是外部28 V直流電源供電，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路將28 V直流電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部各部分所需的工作電壓。在設(shè)計(jì)中，考慮到體積、性能與抗干擾等問(wèn)題，選用DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊，它具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、輸出穩(wěn)定、紋波小的特點(diǎn)。電路原理如圖2所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路

在電源轉(zhuǎn)換電路的前端串聯(lián)了保險(xiǎn)絲F1，對(duì)系統(tǒng)起到過(guò)流保護(hù)；由壓敏電阻R1、TVS管D1和電容C1組成浪涌保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)。LCM為共模電感，能夠有效地濾除共模干擾。該電路中，CF15024S24將+28 V直流電壓轉(zhuǎn)換成專(zhuān)用計(jì)算機(jī)的+24 V直流供電電壓，CF8024S12將+28 V直流電壓轉(zhuǎn)換成顯示屏的+12 V直流供電電壓，CD1024D15將+28 V直流電壓轉(zhuǎn)換成傳感器和信號(hào)調(diào)理電路的±15 V直流供電電壓。

2.2 交流信號(hào)調(diào)理電路

2.2.1 交流電壓信號(hào)調(diào)理電路

三相交流電壓信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。(此處只給出A相的電壓信號(hào)調(diào)理電路，B相和C相的電路與A相相同)。系統(tǒng)選用精密電流型電壓互感器TV19E，其額定電流為5 mA：5 mA。限流電阻采用24 kΩ的精密電阻，將輸入電流限制在5 mA內(nèi)。經(jīng)過(guò)精密采樣電阻采樣，差分運(yùn)算放大器THS4130實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大，使輸出的差分信號(hào)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集卡差分輸入范圍(-10～+10 V)的電壓信號(hào)。

2.2.2 交流電流信號(hào)調(diào)理電路

三相交流電流信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。(此處只給出A相的電流信號(hào)調(diào)理電路，B相和C相的電路與A相相同)。系統(tǒng)選用穿芯式電流互感器SCT045B-A，電流變比為400:1，三相交流電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流互感器轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)精密采樣電阻采樣，差分運(yùn)算放大器THS4130實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大，使輸出的差分信號(hào)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集卡差分輸入范圍(-10～+10 V)的電壓信號(hào)。

圖4 交流電流信號(hào)調(diào)理電路

2.3 直流信號(hào)調(diào)理

系統(tǒng)對(duì)28 V直流電壓和電流的監(jiān)測(cè)采用了電壓電流傳感器，通過(guò)電壓傳感器HV62將28 V直流電壓轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號(hào)，通過(guò)電流傳感器HST30將28 V直流電流轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號(hào)，原理如圖5所示。

圖5 直流信號(hào)調(diào)理原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件的組成

系統(tǒng)軟件的主要功能包括存儲(chǔ)路徑與存儲(chǔ)時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、波形及參數(shù)數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)5個(gè)部分。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1)存儲(chǔ)路徑與存儲(chǔ)時(shí)間功能：設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間(即采集時(shí)間)；

2)數(shù)據(jù)采集功能：軟件控制數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集；

3)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理功能：對(duì)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)相應(yīng)的算法進(jìn)行運(yùn)算處理，得到各項(xiàng)工作特性參數(shù)數(shù)據(jù)；

4)波形及參數(shù)顯示功能：上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示電壓波形、電流波形和各項(xiàng)工作特性參數(shù)數(shù)值；

5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：對(duì)各項(xiàng)工作特性參數(shù)數(shù)據(jù)在設(shè)置的存儲(chǔ)路徑下進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)監(jiān)測(cè)到的不滿(mǎn)足GJB181B-2012中正常工作特性范圍的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)軟件設(shè)定電流閾值對(duì)超過(guò)閾值的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

機(jī)載電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)界面如圖7所示。界面以選項(xiàng)卡的形式對(duì)115 V/400 Hz三相交流、28 V直流的波形和工作特性參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，清晰直觀。

圖7 上位機(jī)界面

3.2 參數(shù)運(yùn)算

系統(tǒng)對(duì)機(jī)載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流電壓和電流的采集，每通道采樣率為200 kHz，采樣周期為1 s，并結(jié)合GJB5189-2003[7]和HB6448-90[8]中提出的參數(shù)計(jì)算公式對(duì)采集的電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

3.2.1 交流電壓參數(shù)運(yùn)算

115 V/400 Hz三相交流電壓參數(shù)包括穩(wěn)態(tài)交流電壓、電壓不平衡、電壓調(diào)制幅度、電壓相位差、峰值電壓、波峰系數(shù)、穩(wěn)態(tài)頻率、直流分量、畸變系數(shù)和諧波含量。運(yùn)算流程如圖8所示。

圖8 交流電壓參數(shù)運(yùn)算流程

對(duì)每1 s周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)做如下運(yùn)算：

1)對(duì)采集的瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)求方均根值，得到各相的穩(wěn)態(tài)交流電壓；兩相之間穩(wěn)態(tài)交流電壓之差的最大值為電壓不平衡；

2)對(duì)采集的瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)求每一半波的方均根值，求出各相中最大方均根植與最小方均根值之差的最大值為電壓調(diào)制幅度；

3)通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)，得到穩(wěn)態(tài)頻率、直流分量和n次諧波、畸變頻譜，諧波的總失真THD和畸變系數(shù)；

4)對(duì)采集的瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字低通濾波，然后按以下公式求取相位差：

5)對(duì)采集的瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)作頻譜分析得到峰值電壓，與穩(wěn)態(tài)交流電壓之比為波峰系數(shù)。

3.2.2 直流電壓參數(shù)運(yùn)算

直流電壓參數(shù)包括穩(wěn)態(tài)直流電壓、畸變系數(shù)、脈動(dòng)幅值。運(yùn)算流程如圖9所示。

圖9 直流電壓參數(shù)運(yùn)算流程圖

對(duì)每1 s周期的采樣數(shù)據(jù)做如下運(yùn)算：

1)對(duì)采集的瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)求平均值，得到穩(wěn)態(tài)電壓；

2)對(duì)瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)求最大值和最小值，結(jié)合穩(wěn)態(tài)直流電壓得到直流電壓脈動(dòng)幅值；

3)對(duì)采集的瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到直流畸變和畸變系數(shù)。

3.3.3 電流參數(shù)運(yùn)算流程

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)交流電流為求1 s的瞬時(shí)電流的方均根值；監(jiān)測(cè)直流電流為求1 s的瞬時(shí)電流的平均值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用本文研制的機(jī)載電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院某型電子試驗(yàn)機(jī)上做了實(shí)驗(yàn)。由于系統(tǒng)持續(xù)采集時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，本文取其中的1 s數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以分析。

4.1 三相交流電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)對(duì)115 V/400 Hz三相交流電壓工作特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。表1中，U為穩(wěn)態(tài)交流電壓；θ為電壓相位差；UJZ為交流電壓直流分量；f為穩(wěn)態(tài)頻率；Fi為波峰系數(shù)；UJP為峰值電壓；表2中，Uε為電壓不平衡；UTZ為電壓調(diào)制幅度；kJJ為畸變系數(shù)。

表1 115 V/400 Hz三相交流電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果1

表2 115 V/400 Hz三相交流電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果2

系統(tǒng)對(duì)三相交流電壓進(jìn)行20次諧波數(shù)據(jù)運(yùn)算，上位機(jī)界面得到如圖10所示的各相的諧波及諧波失真數(shù)據(jù)。在各次諧波頻率時(shí)的畸變幅值最大，由圖10中數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，在各次諧波處畸變幅值均小于-20 dB，滿(mǎn)足正常工作特性的范圍。

圖10 諧波與諧波失真

從表1、表2和圖10中數(shù)據(jù)可以得出，在這1 s時(shí)間內(nèi)的機(jī)載電源115 V/400 Hz三相交流電壓的工作特性參數(shù)滿(mǎn)足GJB181B-2012[9]標(biāo)準(zhǔn)中正常工作特性的要求。

4.2 直流電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

28 V直流電壓參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。UZ為穩(wěn)態(tài)直流電壓；UZM為直流電壓脈動(dòng)幅值；kZJ為直流畸變系數(shù)。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，在這1 s時(shí)間內(nèi)的機(jī)載電源28 V直流電壓工作特性參數(shù)滿(mǎn)足GJB181B-2012標(biāo)準(zhǔn)中正常工作特性的要求。

表3 28 V直流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

國(guó)軍標(biāo)GJB181B-2012中對(duì)電流的正常工作范圍沒(méi)有相關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)主要是得到穩(wěn)態(tài)交流電流和穩(wěn)態(tài)直流電流。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定電流閾值對(duì)泵負(fù)載和接觸器負(fù)載做了相關(guān)的電流實(shí)驗(yàn)。

機(jī)載電源接入一個(gè)泵負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到一個(gè)泵負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)交流電流為13.86 A。通過(guò)設(shè)定電流閾值10 A，得到一個(gè)泵負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流波形圖，如圖11所示。

圖11 一個(gè)泵負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流波形圖

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)八個(gè)泵負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)交流電流為111.10 A，監(jiān)測(cè)九個(gè)泵負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)交流電流為125.00 A。通過(guò)設(shè)定電流閾值190 A，得到在八個(gè)泵負(fù)載基礎(chǔ)上再啟動(dòng)一個(gè)泵負(fù)載的電流波形圖，如圖12所示。從圖12中可以看出在泵負(fù)載啟動(dòng)的瞬間交流電流增大，然后逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)值。

圖12 泵負(fù)載啟動(dòng)電流波形圖

機(jī)載電源28 V直流接入一個(gè)接觸器負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)態(tài)直流電流從3.46 A變?yōu)?.35 A。如圖13所示是啟動(dòng)接觸器瞬間28 V直流的電流波形圖。從圖13中可以看出在接觸器接入的瞬間有一個(gè)瞬態(tài)電流沖擊，然后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

圖13 啟動(dòng)接觸器電流波形圖

5 結(jié)論

本文研制的機(jī)載電源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用高性能專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和高速同步數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流的工作特性和供電質(zhì)量的持續(xù)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)在某型電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，對(duì)機(jī)載電源提高可靠性和故障分析定位具有重要的意義。