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源自：《測(cè)控技術(shù)》 2010年10月刊

譚 眾1 ，王武勇2
1.哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司
2.北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司 應(yīng)用工程師

Implement of Surge Voltage Test-bed for Airplane Power Supply
TanZhong1，WangWuyong2
(1.AVIC Harbin DongAn Engine (Group) Corporation Ltd.), Harbin 150066, China)
Abstract: The traditional surge voltage test-bed couldn’t capture and record voltage transients, and the results are difficult to carry on statistical analysis. To overcome the above deficiency, a new set of surge voltage test-bed is developed in the paper based on VI technology, and the design of load switching circuit and surge voltage calculation algorithm based on parabolic interpolation method are presented. Practical application shows that the system has a high degree of automation and is easy to operate, at the same time the measurement result is accurate.
Key Words：Airplane power supply; Surge voltage; Parabolic interpolation method

1前言
安全可靠的航空電源是飛機(jī)在執(zhí)行飛行和戰(zhàn)斗任務(wù)時(shí)的重要保障。衡量飛機(jī)電源品質(zhì)好壞的方法是:在地面上，按照HB6448-90[1] 和GJB181-86[2]規(guī)定的測(cè)量和計(jì)算方法，對(duì)要求的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面測(cè)試并評(píng)定結(jié)果是否合格。一般需要測(cè)量的參數(shù)包括：靜態(tài)參數(shù)、浪涌電壓（動(dòng)態(tài)電壓）、動(dòng)態(tài)頻率、變速過(guò)程、電壓調(diào)制、頻率調(diào)制、波形分析、保護(hù)器動(dòng)作時(shí)間測(cè)試等。
在這些參數(shù)中，浪涌電壓是反映飛機(jī)電源性能的重要指標(biāo)。浪涌電壓是交流發(fā)電機(jī)在負(fù)載突加或突減時(shí)電壓變化過(guò)程，該過(guò)程持續(xù)時(shí)間約20～100ms,傳統(tǒng)的測(cè)試方法采用人工加載,難以捕獲瞬態(tài)變化。而該系統(tǒng)以虛擬儀器技術(shù)為核心，采用基于PXI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字I/O卡,通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)加減載,可實(shí)時(shí)獲得電壓變化中各時(shí)刻采樣值,并自動(dòng)繪制直觀的浪涌電壓變化曲線。
2模擬負(fù)載與加載控制部分的實(shí)現(xiàn)
交流瞬態(tài)浪涌電壓是在交流發(fā)電機(jī)負(fù)載的突加或突減過(guò)程中產(chǎn)生的，因此飛機(jī)電源綜合試驗(yàn)系統(tǒng)浪涌電壓檢測(cè)臺(tái)的模擬負(fù)載箱應(yīng)能模擬飛機(jī)實(shí)際飛行中供電系統(tǒng)的負(fù)載組合情況，應(yīng)提供多種模式的投切控制以完成供電系統(tǒng)的負(fù)載突加、突卸等試驗(yàn)。負(fù)載的容量應(yīng)能模擬系統(tǒng)100％負(fù)載突加、突卸，負(fù)載大小分配應(yīng)合理，能滿足飛機(jī)上不同匯流條加載的需要。
2.1 模擬負(fù)載箱的組成
模擬負(fù)載包含直流負(fù)載箱和交流阻性負(fù)載箱。

1. 直流阻性負(fù)載箱

模擬直流阻性負(fù)載網(wǎng)絡(luò)部分由兩個(gè)完全相同的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)組成，輸出連接采用公共母線輸出。繼電器控制采用公共地線獨(dú)立控制。直流負(fù)載箱結(jié)構(gòu)如圖1，可方便的自由
         

  圖1直流阻性負(fù)載箱
組成1A～600A任意不同容量的負(fù)載以滿足實(shí)際測(cè)量的需求。
b．交流阻性負(fù)載箱
交流阻性負(fù)載網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)獨(dú)立負(fù)載組和交流接觸器組成，以保證交流阻性負(fù)載的三相投切的同步。負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的輸出連接采用公共母線排連接接線。交流負(fù)載箱結(jié)構(gòu)如圖2，可提供1～110KVA三相交流阻性負(fù)載組合以滿足實(shí)際測(cè)試需要。

圖2交流負(fù)載箱
2.2負(fù)載投切控制電路的設(shè)計(jì)
   由于發(fā)電機(jī)在負(fù)載突加或突減時(shí)電壓變化過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為ms級(jí),因此負(fù)載的投切及電壓測(cè)量通過(guò)計(jì)算機(jī)控制交直流接觸器的通斷自動(dòng)進(jìn)行，這就克服了以往靠人工操作造成動(dòng)態(tài)過(guò)程難以捕獲的缺點(diǎn)，從而極大的提高了測(cè)試的準(zhǔn)確度。根據(jù)交直流負(fù)載箱的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算機(jī)至少應(yīng)提供19路開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制負(fù)載箱控制柜中交直流接觸器的吸合，從而完成負(fù)載的自動(dòng)投加。
2.2.1 DO卡的選擇
  本系統(tǒng)需要自動(dòng)控制19路負(fù)載的投/切，同時(shí)考慮到硬件擴(kuò)展裕度，最終選擇了NI公司的32路數(shù)字量輸出卡NI PXI-6514。該卡輸出開(kāi)關(guān)量電壓范圍為5V～35V，具有良好的隔離效果，隔離電壓可達(dá)5000V，一百多毫安的漏極電流足以驅(qū)動(dòng)普通繼電器正常動(dòng)作。當(dāng)外接不同的負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)的電路圖如圖3、圖4所示。

圖3  外接阻性負(fù)載的電路

圖4 外接感性(交流)負(fù)載的電路
2.2.2 負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路
由于PXI-6514輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)荷箱控制柜中的大功率接觸器動(dòng)作，因此必須設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。PXI-6514輸出的開(kāi)關(guān)量直接控制繼電器通、斷，這些繼電器又進(jìn)一步控制負(fù)荷箱控制柜中的大功率接觸器動(dòng)作，從而完成負(fù)載自動(dòng)投加或切除。

圖5   開(kāi)關(guān)量輸出電路
圖中，DOOUT1～DOOUT32為DO卡輸出開(kāi)關(guān)量，OUTxa、OUTxb為各繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)，D1～D32為泄流二極管。繼電器的電源及采集卡的VDD均接+24V，根據(jù)繼電器線圈電流的大小選擇R1～R32的阻值均為10KΩ。電路中的繼電器選用833H-1C-C。
當(dāng)PXI-6514相應(yīng)位輸出開(kāi)關(guān)量為1時(shí)，相應(yīng)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，后級(jí)所接的大功率接觸器的觸點(diǎn)吸合，控制所接的負(fù)載加入。否則為0時(shí)，切除該路所接負(fù)載。
測(cè)量不同機(jī)型浪涌電壓時(shí)，PXI-6514的輸出信號(hào)根據(jù)航標(biāo)HB6448—90的要求、各機(jī)型的額定負(fù)載大小以及負(fù)荷箱的實(shí)際配置情況決定。
3. 數(shù)據(jù)采集部分的實(shí)現(xiàn)
   數(shù)據(jù)采集部分用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的調(diào)理和采集。相應(yīng)的硬件電路包括信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡。
3．1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
該部分電路用于將發(fā)電機(jī)的原始輸出調(diào)理成與數(shù)據(jù)采集卡輸入相匹配的電壓信號(hào)。包括調(diào)理直流、交流電壓的幅值；將各電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；預(yù)濾波和信號(hào)隔離等。對(duì)于電壓信號(hào)，通過(guò)電阻分壓把原始的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅值在±10V內(nèi)的電壓信號(hào)，為保證精度，經(jīng)帶通濾波和電壓跟隨器后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。電流信號(hào)先經(jīng)霍爾傳感器后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。
3．2 數(shù)采卡的選型及操作
在該系統(tǒng)中，總共需要對(duì)23路模擬信號(hào)進(jìn)行采集，且采樣速度要求較高（每通道大于80KHz[1]），但不要求各信號(hào)同步采集。為此，考慮到系統(tǒng)以后的可擴(kuò)展性，選用了兩塊NI公司16通道高速數(shù)據(jù)采集卡PXI-6250，它單通道采樣時(shí)的最高采樣率為1.25MHz，可外接16通道單端或8通道差分輸入進(jìn)行輪番采樣。此外，該卡上還帶有4095字節(jié)的緩沖用于高速信號(hào)采集，同時(shí)提供有1、10、100的可編程增益，使用起來(lái)非常靈活。
對(duì)該數(shù)采卡的操作可通過(guò)調(diào)用廠家提供的相關(guān)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4. 瞬態(tài)浪涌電壓的測(cè)試方法
4.1瞬態(tài)浪涌電壓的測(cè)試原理
浪涌電壓分為過(guò)壓浪涌和欠壓浪涌。求出過(guò)壓浪涌包絡(luò)線最高峰的連續(xù)最大三點(diǎn)或欠壓浪涌包絡(luò)線最低谷的連續(xù)最小三點(diǎn)，按拋物線插值法求出峰值即為過(guò)壓浪涌電壓或欠壓浪涌電壓極值。
拋物線插值法原理如下[3]：
設(shè)給定函數(shù)，。已知在個(gè)互異節(jié)點(diǎn)的值 。求n次插值多項(xiàng)式，使?jié)M足
     （1）
為此，可構(gòu)造n次插值多項(xiàng)式如下：

               （2）
時(shí)，有
                    （3）
稱為二次插值（拋物線插值）多項(xiàng)式。幾何意義則表示通過(guò)三點(diǎn)的一條拋物線。
設(shè)拋物線方程為，已知三點(diǎn) ，由拋物線插值法有 ，則
  由最值定理，當(dāng)時(shí)，有最值存在。即當(dāng)時(shí)，最大值。
因此求連續(xù)最大的三個(gè)瞬態(tài)浪涌電壓值，按縱坐標(biāo)由大到小排序后，用拋物線插值法，拋物線的頂點(diǎn)值就是正、負(fù)浪涌電壓值。
4.2 浪涌電壓測(cè)試流程
浪涌電壓測(cè)試時(shí)首先輸出控制信號(hào)控制負(fù)荷箱，將10％P負(fù)載突加到85％P負(fù)載或?qū)?5％P 負(fù)載突減到10％P負(fù)載，同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行采樣，按單路波峰波谷采樣方式，采集并求出瞬態(tài)過(guò)程每周期的電壓峰值，將峰值電壓除以即得瞬態(tài)浪涌電壓。求出過(guò)壓、欠壓浪涌包絡(luò)線最高峰、最低谷的連續(xù)最大三點(diǎn)，按拋物線插值法求出峰（谷）值即為浪涌過(guò)壓極值，再繪制過(guò)壓浪涌曲線（卸載時(shí)）或欠壓浪涌曲線（加載時(shí)），對(duì)照GJB181－86要求的限制曲線即可檢驗(yàn)浪涌過(guò)程是否合格。流程圖如圖6所示。
5 動(dòng)態(tài)電壓測(cè)試結(jié)果分析
對(duì)于瞬態(tài)浪涌電壓的測(cè)試，一般通過(guò)繪制動(dòng)態(tài)過(guò)程電壓變化曲線并填充至MIL-STD-704C要求的限制曲線中以檢驗(yàn)參數(shù)是否合格。即先求出動(dòng)態(tài)過(guò)程每周波電壓有效值，然后繪制有效值變化的包絡(luò)線。在

圖 6  浪涌電壓測(cè)試流程
該系統(tǒng)中就是采用了這種方法求得交流電壓(有效值)浪涌曲線的。通過(guò)計(jì)算機(jī)突加載、減載，測(cè)得過(guò)壓、欠壓曲線如圖7所示，浪涌曲線均在要求的限制曲線范圍之內(nèi)，完全滿足要求。
    

圖 7 浪涌電壓測(cè)試結(jié)果
經(jīng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高，系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確快速的檢測(cè)飛機(jī)電源浪涌電壓，從而為飛機(jī)電源系統(tǒng)的維護(hù)和檢修提供可靠依據(jù)。該系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于某飛機(jī)研究所。

參考文獻(xiàn)
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[3] 聶鐵軍,侯誼,鄭介庸.《數(shù)值計(jì)算方法》[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990