應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)控制器測試系統(tǒng)設(shè)計研究

陳林，朱維瑋，葉成世，孫凱革

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)控制器主要用于某型飛機供電系統(tǒng)應(yīng)急狀態(tài)下液壓組合驅(qū)動直流發(fā)電機進行投切、復(fù)位等，控制器內(nèi)部具有電源模塊、控制模塊、通訊模塊、接觸器、匯流條等復(fù)雜電路板組件，亟需設(shè)計一套控制器的自動測試系統(tǒng)對產(chǎn)品功能、性能參數(shù)、故障情況等進行檢查。

本文設(shè)計的測試系統(tǒng)支持對產(chǎn)品功能和性能指標進行檢查，能夠模擬產(chǎn)生上位機所需的輸入激勵信號，能夠支持通訊功能綜合測試、過壓過流保護功能檢測、產(chǎn)品狀態(tài)工作可靠性檢測等。測試系統(tǒng)采用標準化設(shè)計，具有人機交互功能及接口，便于人員操作，支持試驗數(shù)據(jù)打印及導(dǎo)出。

1 測試系統(tǒng)需求分析

應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)控制器的主要功能是當飛機兩臺交流發(fā)電機故障或三臺整流裝置故障時，由機電管理計算機發(fā)出自動接通信號或由飛行員手動接通座艙內(nèi)應(yīng)急直流發(fā)電機開關(guān)，起動液壓驅(qū)動組合直流發(fā)電機發(fā)電；對液壓驅(qū)動組合直流發(fā)電機實現(xiàn)過壓、低電壓、反流、過流、短路故障保護，并通過RS422 總線上傳產(chǎn)品工作參數(shù)、狀態(tài)和故障信息。

應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)控制器的核心控制部件，由母板部件、電源板部件、配電板部件、CPU 板部件、接觸器和電流傳感器組成。應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)交聯(lián)框圖見圖1。

圖1 應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)交聯(lián)框圖

測試系統(tǒng)支持應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)控制器系列產(chǎn)品的檢測，可以快速定位故障元器件、驗證產(chǎn)品電氣性能指標，具有通用化、模塊化的設(shè)計特點。在對控制器系統(tǒng)原理、接口分析基礎(chǔ)上，確定測試系統(tǒng)需要達到的產(chǎn)品功能、性能測試指標要求，具體如下：

第一，測試系統(tǒng)可實現(xiàn)四通道大功率直流負載模擬：額定電壓28V，單通道 0-260A 可調(diào)負載。其中每兩通道負載可并聯(lián)為520A 負載；

第二，測試系統(tǒng)可實現(xiàn)維護BIT 功能檢測；被測產(chǎn)品接收上位機和地面檢測信號接口發(fā)出的維護自檢信號，開始自檢后，檢測被測產(chǎn)品內(nèi)部的DS 芯片（A/D、I/O）接口輸入輸出、電源模塊、電磁閥控制單元、接觸器工作狀態(tài)、通訊標志位等參數(shù)；

第三，測試系統(tǒng)可實現(xiàn)與被測產(chǎn)品的RS422A 和RS232通訊功能，以及被測產(chǎn)品的自動和手動上電控制。

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

自動測試系統(tǒng)主要由主控機柜和負載機柜兩部分組成，主控機柜包括了所有信號的輸入輸出、調(diào)理電路、電源電路、工控機、人機交互界面等，負載機柜主要負責模擬四通道大功率可調(diào)直流負載、提供被測產(chǎn)品工作電源、配合主控機柜實現(xiàn)正反電流切換、監(jiān)測被測產(chǎn)品輸出電壓電流。

2.1 主控機柜設(shè)計

主控機柜采用19寸標準機柜，配備滾輪和固定支撐架。主控機柜主要負載記錄電壓電流采集量、監(jiān)測內(nèi)部DSP 芯片輸入輸出、與被測產(chǎn)品通訊控制、保護功能測試、試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。主控機柜設(shè)計原理如圖2 所示。

圖2 主控機柜設(shè)計原理

2.2 負載機柜設(shè)計

負載機柜主要負責模擬四通道大功率可調(diào)直流負載、提供被測產(chǎn)品工作電源、配合主控機柜實現(xiàn)正反電流切換、監(jiān)測被測產(chǎn)品輸出電壓電流。

功率模擬負載分為4 組，其中2 組為100 A，1 組為0～310 A，10 A 以上負載使用接觸器導(dǎo)通，10 A 以下負載直接通過面板上開關(guān)導(dǎo)通。產(chǎn)品額定工作電壓28 V，額定輸出電流210 A，反流保護為20 A，最大短路電流430A。K3 接線柱對應(yīng)0 ～310 A 負載，K2 和K4 接線柱對應(yīng)0 ～100 A 負載。負載機柜設(shè)計原理如圖3 所示。

圖3 負載機柜設(shè)計原理

2.3 測試系統(tǒng)主要電路

2.3.1 工控機

工控機作為測試設(shè)備的核心元件，選用浪潮新一代泰金剛加固工控機3114，支持Intel i7-8700 6 核心12 線程高性能處理器，具有2 個RS-422、4 個RS232 通訊串口（可通過板卡擴展）。

2.3.2 輸入輸出I/O 板卡

輸入輸出I/O 板卡選用NI 公司PCI-6535 作為數(shù)字I/O 板卡，支持多通道隔離輸入及新一代計算機總線標準PCI-E。板卡具備48 路I/O 輸入，每通道數(shù)據(jù)采集速率250MB/s，傳輸速率2.5GT/s，具備1 個32 位定時器，1 個16 位計數(shù)器，具有10MHz 高分辨率時鐘，支持3 通道16 位輸出；支持熱重啟（不關(guān)閉電源）數(shù)據(jù)輸出不中斷。

2.3.3 通訊板卡

通訊板卡選用NI 公司 PCI-8838 新一代RS422 通訊板卡，負責工控機與調(diào)理箱、被測產(chǎn)品、檢測儀表間的數(shù)據(jù)交互。板卡具備16 個串口通道，支持RS-232/422/485 串口通訊標準和PCI-E 標準總線。

2.3.4 輸入信號調(diào)理電路

該電路采用PC817 光耦作為隔離元件，輸入信號接到PC817 輸入端，經(jīng)過光耦合轉(zhuǎn)換為板卡可識別信號，進而將信號送交給工控機處理。

信號輸入輸出實現(xiàn)了隔離，提高了電路的安全性和抗干擾性，可實現(xiàn)高電平和低電平兩種信號的輸出。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

軟件系統(tǒng)采用Windows 7 操作系統(tǒng)作為開發(fā)背景，支持鼠標鍵盤交互，支持多顯示器多CPU 通知工作，系統(tǒng)成熟穩(wěn)定度高；開發(fā)環(huán)境選用NI Labview，使用圖形化編輯語言G 編寫，集成了CPIB/RS-232/RS-422 通訊功能，便于調(diào)試。

3.2 軟件測試流程

測試環(huán)境是產(chǎn)品功能測試的實現(xiàn)載體，每個子功能測試模塊相對獨立，進入各個子功能驗證模塊時，首先對系統(tǒng)硬件軟件環(huán)境進行自檢，檢測該功能檢測需要用到的硬件資源是否合格，通過自檢后，進入測試參數(shù)設(shè)置界面，如果自檢不能通過，對應(yīng)的測試功能無法使用。軟件測試流程見圖4。

圖4 軟件測試流程

4 控制器性能測試驗證

4.1 過壓保護功能檢測

該模塊主要為驗證在匯流條電壓過高情況下，產(chǎn)品是否會觸發(fā)過壓保護，并且過壓保護的動作時間符合預(yù)期。產(chǎn)品過壓保護設(shè)計門限及動作時間見表1。

表1 過壓保護及動作時間

4.2 欠壓保護功能檢測

該模塊主要為驗證在匯流條電壓過低情況下，產(chǎn)品是否會觸發(fā)欠壓保護，并且欠壓保護的動作時間符合預(yù)期。

欠壓保護測試子功能與過壓保護子功能模塊流程相近，僅在測試參數(shù)設(shè)置步驟更改為設(shè)置欠電壓值及輸出時間。

4.3 過流保護功能檢測

該模塊主要為驗證在輸出電流過大情況下，產(chǎn)品是否會觸發(fā)過流保護，并且過流保護的動作時間符合預(yù)期。

產(chǎn)品功率輸出主要通過K2、K3、K4 接線柱，K2、K4接線柱配電保護元器件為50A 斷路器，K3 接線柱為150A熔斷器。在產(chǎn)品自檢通過，參數(shù)設(shè)置界面內(nèi)，需設(shè)置參數(shù)門限值。參考斷路器和熔斷器動作曲線，K2、K4 接線柱加載100A 以內(nèi)負載，K3 接線柱加載220A 以內(nèi)負載。

4.4 反流保護功能檢測

該模塊主要為驗證在功率/電流流向不正常情況下，產(chǎn)品是否會觸發(fā)反流保護，并且反流保護的動作時間符合預(yù)期。

在產(chǎn)品自檢通過，參數(shù)設(shè)置界面內(nèi)，通過K1、K3 接線柱實現(xiàn)反流功能測試。進入反流測試功能后，系統(tǒng)會自動斷開K2、K4 接線柱連接，同時操作員斷開K2、K4 接線柱功率線。

4.5 短路保護功能檢測

該模塊主要為驗證在匯流條或負載短路情況下，產(chǎn)品是否會觸發(fā)短路保護，并且短路保護的動作時間符合預(yù)期。通過K3 接線柱輸出對地短路，模擬短路保護試驗環(huán)境，驗證保護功能。

5 結(jié)語

文中通過對某型應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)控制器（簡稱控制器）信號接口、功能結(jié)構(gòu)以及性能測試指標的分析研究，設(shè)計研制一套控制器的測試系統(tǒng)。通過試驗驗證，該測試系統(tǒng)能夠滿足控制器各項性能參數(shù)的測試要求。目前，該測試系統(tǒng)已用于應(yīng)急直流發(fā)電系統(tǒng)控制器的測試修理中。