基于直升機電氣負載自動管理系統(tǒng)負載通道故障分析

于浩

（中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

電氣負載管理中心是配套于直升機電源系統(tǒng)的機載產(chǎn)品，其主要功能是接收負載監(jiān)控器控制指令，上傳負載狀態(tài)信息完成直流正常匯流條、直流應(yīng)急匯流條和交流電源至各負載的供電分配功能，電氣負載自動管理系統(tǒng)由1臺負載監(jiān)控器和2臺電氣負載管理中心組成。電氣負載管理中心替代率以斷路器和繼電器為核心的傳統(tǒng)配電裝置，是以固態(tài)配電技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代配電產(chǎn)品，實現(xiàn)了二次配電的遠程區(qū)域自動管理，并具有過流保護、短路保護的功能[2-6]。

1 故障分析

在地面通電時對負載監(jiān)控器進行負載接通操作，負載狀態(tài)顯示中，偶爾出現(xiàn)通道無法接通，且通道狀態(tài)顯示反應(yīng)遲緩現(xiàn)象，通過對原理電路進行分析，得出故障樹如圖1所示。

圖1 SSPC通道短路保護故障樹

通過分析出現(xiàn)故障的原因可能為：(1)負載監(jiān)控器操作面板按鍵故障；(2)負載監(jiān)控器通訊電路故障；(3)電氣負載管理中心SSPC通道故障；(4)電氣負載管理中心RS422收發(fā)器異常；(5)電氣負載管理中心板卡單片機通訊異常。

為使故障準確定位，對上述5點原因進行排除分析。

1.1 負載監(jiān)控器面板按鍵檢查

在不通電的情況下檢查負載監(jiān)控器控制面板按鍵，查看是否有按下后無法彈起的情況，通過多次按壓周邊所有按鍵，發(fā)現(xiàn)按鍵都能正常彈起，排除了按鍵機械故障導(dǎo)致主控芯片無法識別到按鍵操作的原因。

地面通電進行故障排查，對所有負載通道依次進行開通操作（此操作會按壓到面板上的所有按鍵）發(fā)現(xiàn)，有負載通道需要按壓多次后才能顯示開通狀態(tài)，狀態(tài)顯示緩慢，但這些負載通道對應(yīng)的按鍵在其他負載界面，按壓開通時，對應(yīng)負責狀態(tài)返回及時，無顯示緩慢現(xiàn)象，有時重啟后，緩慢現(xiàn)象可以消除，主控芯片可以識別到按鍵操作，排除了按鍵觸點無法接觸的故障原因。

1.2 負載監(jiān)控器通訊電路檢查

負載監(jiān)控的背板為一電磁兼容組件，所有引線通過小容值的穿心電容連接到插頭，穿心電容的屏蔽層連接到外殼，避免電磁干擾，如圖2所示。若通訊線所接的穿心電容損壞或出現(xiàn)異常，將會導(dǎo)致通訊的波形出現(xiàn)畸變，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或通訊異?，F(xiàn)象，正常情況下，所有針腳對外殼的電阻值應(yīng)趨近于無窮大，如出現(xiàn)異?；驌p壞，針腳對外殼可以測得一個電阻值，取下負載監(jiān)控器后用萬用表進行測試，發(fā)現(xiàn)針腳對外殼的電阻均為無窮大，可以排除穿心電容損壞導(dǎo)致通訊電路故障的原因。

圖2 背板示意圖

將負載監(jiān)控背板取下后靜態(tài)觀察器件焊接情況，發(fā)現(xiàn)焊接焊點良好，無虛焊漏焊問題，管腳之間沒有發(fā)現(xiàn)多余物，排除了焊接問題對通訊電路帶來的影響。

為了能夠進一步縮小故障定位范圍，確定故障原因，更換一臺新的工作正常的負載監(jiān)控器進行多次地面通電試驗，故障顯現(xiàn)依舊存在，至此可以排除負載監(jiān)控故障原因，故障定位到電氣負載管理中心。

1.3 電氣負載管理中心SSPC通道檢查

根據(jù)反饋，除狀態(tài)顯示緩慢外，有時自動打開負載通道后，偶爾負載監(jiān)控上“吸氣風扇”等負載通道或僅“吸氣風扇”負載通道顯示任然為關(guān)斷狀態(tài)，重新上電后有時狀態(tài)顯示能恢復(fù)正常，至此可以判斷出SSPC通道的狀態(tài)識別電路正常。

多次進行負載接通操作后，故障現(xiàn)象出現(xiàn)，“一發(fā)滅火”、“二發(fā)滅火”等負載通道顯示狀態(tài)為關(guān)斷，通過用萬用表在電氣負載管理中心接口上實際測量，可以檢測到28V電壓輸出，由此可以判斷SSPC通道的功率器件和驅(qū)動電路均是正常的，且能夠正常接收到負載監(jiān)控器的控制指令，打開負載通道，故障原因應(yīng)為負載管理中心回傳的RS422信號出現(xiàn)異常，監(jiān)控器無法正常接收到上傳的狀態(tài)信號導(dǎo)致的故障。

1.4 氣負載管理中心RS422通訊總線檢查

電氣負載管理中心由11塊SSPC組件板卡構(gòu)成，每塊組件板卡上都有1顆RS422通訊芯片，如通訊芯片損壞，那么此板卡上的所有通道都應(yīng)該無法接通，或狀態(tài)顯示都無法回傳。但實際故障情況只是某一塊板卡上的一路或幾路通道狀態(tài)信息無法回傳，其余通道狀態(tài)信息能正?；貍?，且通道都可以正常接通，因此可以排除RS422收發(fā)器故障原因。

通過上述故障排查，且可以排除掉負載監(jiān)控器下發(fā)的控制指令不正確原因，我們可以定位到板卡單片機異常，偶爾處于不停復(fù)位或長期復(fù)位狀態(tài)，復(fù)位時無法對板卡的RS422芯片進行控制，復(fù)位時導(dǎo)致負載管理中心的發(fā)送總線被占用，無法正常進行指令回傳而造成的狀態(tài)顯示緩慢和開通狀態(tài)無法回傳的故障現(xiàn)象，通過偶爾出現(xiàn)僅“吸氣風扇”負載通道顯示為關(guān)斷狀態(tài)，我們定位到該板卡的單片機復(fù)位信號異常。

2 故障復(fù)現(xiàn)及定位

2.1 板卡周期性復(fù)位試驗

將“吸氣風扇”所在板卡的喂狗信號去掉，使該板單片機周期性處于復(fù)位狀態(tài)，用負載監(jiān)控器控制管理中心進行通道開通操作，出現(xiàn)負載通道按下開通按鍵后，負載開通狀態(tài)回傳緩慢現(xiàn)象，且“吸氣風扇”負載通道無法開通，故障現(xiàn)象得到復(fù)現(xiàn)。

2.2 板卡不間斷復(fù)位試驗

將“吸氣風扇”所在板卡的復(fù)位信號和3.3V短接，使該板卡單片機一直處于復(fù)位狀態(tài)，用負載監(jiān)控器控制管理中心進行通道開通操作，出現(xiàn)負載開通狀態(tài)無法回傳，但負載管理中心執(zhí)行開通操作，在接口上可以測到輸出電壓和機上故障狀態(tài)一致。

2.3 故障定位

通過上述測試，對板卡進行周期性復(fù)位試驗和不間斷復(fù)位試驗，出現(xiàn)的故障現(xiàn)象和機上一致，故障問題得以復(fù)現(xiàn)。通過上述試驗及分析，故障可以定位為“吸氣風扇”所在板卡的單片機處于周期性復(fù)位或不間斷復(fù)位狀態(tài)，復(fù)位時無法對RS422通訊芯片進行控制，使得該發(fā)送總線周期性或一只處于占用狀態(tài)，無法正常進行指令回傳而導(dǎo)致的故障現(xiàn)象。

3 機理分析

RS422通訊總線工作原理如圖3所示。

從圖3中可以看出，電氣負載管理中心11塊SSPC組件板卡的RS422通信芯片全部掛接在同一條RS422通訊總線上，每塊板卡上RS422通訊芯片的控制原理和電路方式一致，由圖中可以看出，由于電氣負載管理中心為下位機，實時被動的接收負載監(jiān)控器下發(fā)的控制指令，因此芯片的接收使能端接地，處于一直使能狀態(tài)。

圖3 RS422通訊總線工作原理

而同一時刻只能有1塊板卡的RS422芯片占用發(fā)送總線，否則會造成數(shù)據(jù)紊亂，因此每塊板卡的RS422芯片發(fā)送控制端通過單片機P3.5引腳進行控制，高電平發(fā)送使能RS422總線(TXD-和TXD+處于被占用狀態(tài))，低電平禁止發(fā)送使能RS422總線(TXD-和TXD+處于空閑狀態(tài))，所有單片機上電復(fù)位完成后對芯片進行初始化，P3.5引腳輸出低電平使RS422總線的發(fā)送端處于空閑狀態(tài)。

當接收到負載監(jiān)控器下發(fā)的控制指令后，每塊板卡對指令進行解析，正常情況下同一時刻只會有一塊板卡的RS422通信芯片占用發(fā)送總線，上傳負載通道狀態(tài)等信息，并且在上傳完成后恢復(fù)發(fā)送總線通道空閑。

單片機為高電平復(fù)位，且復(fù)位的時候所有引腳輸出為高電平，即復(fù)位時P3.5為高電平，TXD+、TXD-總線處于被占用狀態(tài)，因此在電氣負載管理中心正常上傳負載狀態(tài)信息的過程中，如某一塊板卡的單片機異常復(fù)位，那么此時將出現(xiàn)同一時刻TXD+、TXD-總線同時被兩路RS422通訊芯片占用，發(fā)送的數(shù)據(jù)將會異常，負載監(jiān)控器無法正常解析，因此無法顯示負載狀態(tài)，但如下一個或幾個查詢周期異常復(fù)位的單片機恢復(fù)正常，電氣負載管理中心能正常上傳負載狀態(tài)信息，開通的負載狀態(tài)信息延遲一個或幾個周期重新上傳顯示，這樣就造成了開通狀態(tài)顯示緩慢的情況。如果在整個查詢周期異常復(fù)位的單片機一直處于復(fù)位狀態(tài)，一直占用發(fā)送總線，那么會造成狀態(tài)顯示一直無法更新，但實際接口上已經(jīng)輸出電壓的故障現(xiàn)象。

為復(fù)現(xiàn)故障，并做了以下故障復(fù)現(xiàn)試驗：板卡復(fù)位試驗。試驗結(jié)果為出現(xiàn)顯示緩慢和狀態(tài)顯示無法接通現(xiàn)象，故障復(fù)現(xiàn)。

4 糾正措施

通過在機上取下“吸取風扇”所在的板卡，多次進行地面通電試驗，除“吸取風扇”所在板卡的負載通道，其余負載通道無接通狀態(tài)顯示緩慢情況，且所有通道能夠正常開通。

取下板卡后我們認真分析故障原因，圖4為單片機復(fù)位電路原理圖，復(fù)位信號通過三級管Q1的C極輸出RESET信號，正常工作時RESET信號為低電平。

圖4 復(fù)位電路原理圖

正常通電時測試三極管RESET輸出為低電平，控制極為高電平，三極管導(dǎo)通處于工作正常，輕微按壓三極管，RESET信號會變成3.3V，單片機復(fù)位，通過觀察板卡發(fā)現(xiàn)，三極管的焊接未按照正常工藝，完全貼合在印制板上，取下三極管后發(fā)現(xiàn)三極管的外殼已將印制板的阻焊層刮破，露出銅線，通過實際測試，三極管的外殼和E極（發(fā)射極）處于連通狀態(tài)，而刮破的銅線為三級管的B極（控制極），當板卡安裝到電氣負載管理中心，通過鎖緊器固定板卡時，印制板會有輕微形變，導(dǎo)致了外殼刮破銅線（E極和B極處于臨界短路狀態(tài)），短路時造成三極管關(guān)斷，RESET輸出高電平造成單片機復(fù)位，我們?nèi)∠氯龢O管后按照工藝要求重新進行焊接，按壓三極管，印制板工作正常。

正常的工藝焊接流程為：三極管焊接時，三極管距離印制板高度應(yīng)留有1~2mm間隙，如圖5所示。且完成調(diào)試后，對其進行三防和灌封處理。

圖5 三極管焊接實物圖

針對上述故障原因，主要采取以下措施：在《工藝規(guī)程》中對每塊印制板三極管的焊接要求做明確規(guī)定，明確要求三極管離印制板的高度，并設(shè)置交檢項，質(zhì)檢人員嚴格按照焊接要求進行檢查。

5 驗證試驗

針對上述故障，將電氣負載管理中心備件重新進行了72小時不間斷高低溫試驗和隨機振動試驗，且在試驗過程對負載通道每30分鐘進行一次負載接通、關(guān)斷操作，并觀察負載狀態(tài)顯示情況，整個試驗過程中產(chǎn)品工作正常，試驗結(jié)束后質(zhì)量部對其進行了重新驗收，產(chǎn)品功能性能滿足要求。并對其進行裝機驗證，將備板裝配到直升機上，通過多次地面試驗，負載開通狀態(tài)信息無顯示緩慢現(xiàn)象，且所有負載通道都能接通，確認電氣負載管理中心正常工作。

6 結(jié)論

負載監(jiān)控器上，負載狀態(tài)顯示通道無法接通，接通狀態(tài)顯示反應(yīng)遲緩，故障定位為“吸氣風扇”所在板卡的單片機處于周期性復(fù)位或不間斷復(fù)位狀態(tài)，復(fù)位時無法對RS422通訊芯片進行控制，使得該發(fā)送總線周期性或一只處于占用狀態(tài)，無法正常進行指令回傳而導(dǎo)致的故障現(xiàn)象。改進措施有效，經(jīng)過地面通電和飛行驗證，確認電氣負載管理中心可重新正常工作。