（电力电子与电力传动专业论文）某型飞机发电机控制器地面用测试系统的研制.pdf

西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg e n e r a t o rc o n t r 0 1u n i tw h i c hm o n i t o r st h ee l e c t r i c a lp o w e r g e n e r a t i o ns y s t 印p l a y sa ne s s e n t i a lp a r ti nt h ea i r c r a f tp o 妁rs u p p l y s y s t e m i tc a ne n s u r et h eg e n e r a t o rw o r ki nt h es a f es t a t u s i no r d e rt o f l y i n gs a f e t y ， d e t e c ta n dm a i n t e n a n c ef o rg e n e r 8 t o rc o r t r 0 1u n i t r e g u l a r i t yi sv e r yn e c e s s a r y s o 驰d e v e l o pa na u t o m ， t e dt e s ts y s t e mw h i c h c a nb eu s e df o rt h eg e n e r a t o rc o n t r o ln u i tt e s to nt h ee a r t h f i r s t ， t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eh a r d w a r es y s t e mo fa u t o m a t e dt e s t s y s t e m 柏i c he o m b i n e st h ed a t aa c q u i s i t i o n 、c o n t r o la n dm 8 n a g e m e n t f u n c t i o n t h es y s t e mi sb a s e do nat e s tc o n t r 0 1c o m p u t e r ，t w op r o g r a 砌e d c o n t r 0 1s o u r c e sa r ed e s i g e n e dt oa n a l o gt h ef a i l u r ei n f o r m a t i o nt h a tt h e a i r c r a f tg e n e r a t o rs y s t e mh a y e ，f o re x a m p l e ，t h eo u t p u ty o l t a g e so fi 【昭、 o u t p u tc u r r e n to fi m gc u r r e n tt r a n s f o r m e ra n ds 伽ed i g i t a ls i g n a l s t h e ( i a t aa c q u i s i t i o nc a r dc 0 1 1 e c t st h eo u t p u t so ft h ep r o g r a 哪e dc o n t r o l s o u r c e st 0r e a l i z eac l o s e ( 卜i o o pc o n t r 0 1 ，a n dc 0 1 1 e c t st h eo u t p u t so f g e n e r a t o rc o n t r 0 1u n i tt oc a l c u l a t et h ef a u l tr e s p o n s et i 鹏t h e n ， a s o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e db a s et h em i c r o s o f tv i s u a lc + + i ti n c l u d e s t h ec 0 砌u n i c a t i o np r o g r a 咖时b e t w e e nc o n t r o lt e s tc o m p u t e ra n ds o u r c e sa n d t h ed a t aa c q u i s i t i o np r o g r 锄e a tl a s t ，a ni n t e r f a c eo ft h i sa u t o 唿t e d t e s ts y s t 鲫i sg i v e nw h i c hi sd e v e l o p e db y 虾c t h ef u n c t i o no fd y n 硼i c d a t ad i s p l a y 、p r e f e r e n c e s 、f a u l ti n f o n n a t i o nr e c o r d i n g 、r e p o r tf o r m i n g a n dp r i n t i n gw i l lb ea d d e dt om a k et h es y s t e mp e r f e c t t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yi nt h i ss y s t 鲫i s f e a s i b l e a n dt h i sa u t o f l i a t e dt e s ts y s t e mi sp r o v e dr e l i a b l y 、i n t e l l i g e n t l y a n de a s i l y 一0 p e r a t e d k e y w o r d s ：g e n e r a t o rc o n t r o lu n i t ，a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ，p r o g r 锄e d c o n t r 0 1r e s o u r c e ，d a t aa c q u i s i t i o n i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识，“权的规定，即；研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于l j q 北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业厉结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用小声明。 学位沦文作者签名：童l 皇l 墨驾 指导教师签名： 谢浮 乡月胎 刁 年弘丛日 j 隰 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究：i 一作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已中请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和1 集体，均已在文中以明确方式表明。 ，本人学位论文与资判若了_ + 1 ：实，愿意承担一切相关的法律盔旺。 学位论文作者签名生：弛 拥娇 r - ，d母 西北工业大学硕士论文第一章绪论 1 1 本课题研究意义 第一章绪论 飞机供电系统在现代飞机中占有十分重要的地位。随着现代航空工业的迅速 发展，机载智能电子电气设备逐渐增多，对飞机供电系统，尤其是对电源系统的 要求也就越来越高。飞机电源系统是机载电气设备的一个重要组成部分，它的作 用是向飞机上所有用电设备供电。供电系统是航空器上电能产生、变换、输送与 分配部分和电能检测、控制、保护部分的总称，包含从电源到用电设备输入端的 全部，通常分为电源系统和输配电系统两部分。电源系统是电源到电源汇流条间 的部分，输配电系统是电源汇流条到用电设备输入端的部分。 飞机电源系统由主电源、辅助电源、应急电源、二次电源及地面电源供电插 座等构成。现代飞机主电源是直接或间接由航空发动机传动的发电系统。”。 主电源不工作时，飞机用电设备所需电能可由辅助电源或地面电源供给。辅 助电源有航空蓄电池和辅助动力装置两种，小飞机大多用蓄电池，大型飞机用辅 助动力装置居多。辅助动力装置由小型机载发动机、发电机等构成，主电源不工 作时，启动小型机载发动机工作，可向用电设备供电。该发动机常用电动机启动。 辅助动力装置一般在地面工作，有的也可在空中工作。 飞行中一旦主电源产生故障，则由应急电源供电。常用的应急电源有航空蓄 电池和冲压空气涡轮发电机。由于应急蓄电池和冲压空气涡轮发电机的容量均较 小，因而只能向飞机上的重要用电设备供电，以保证飞机紧急返回基地或紧急着 陆。 飞机主电源由主电源发电机提供，主电源发电机有直流发电机和交流发电机 两种。主要用于向飞机的主电源网、各电气电子系统供电，也向备用或专用的 交、直流电源装置提供电源。随着科学技术和航空工业的发展，飞机性能和自动 和程度日益提高，用电设备种类和数量都大大增加了，因而用电量大大增加。在 现代大、中型飞机上，飞机主电源系统由高压直流系统、交流系统以及混合供电 系统组成。飞机上交流电直接由交流发电机产生，因此交流发电机作为飞机上的 主要供电设备，它在飞机正常工作中具有十分重要的作用。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 为了保证交流发电机能正常工作，保证电源性能、功能、品质、余度、容错 能力、效率、功率重量比、可靠性、维修性和全寿命费用等，飞机上配备有微 处理机型发电机控制组件( g e n e r a t o rc o n t r 0 1u n i t ) 简称g c u ，它是发电机的 控制保护装置，是实现电源正常供电、保证电源提供高品质电能的重要环节，用 来保证发电机正常可靠工作。鉴于g c u 在飞机上如此重要的作用，必须定期对其 进行检测维护，做到故障的及时发现和及时处理，才能保证g c u 的正常工作，进 而保证飞机上用电设备对发电机的供电要求。 1 2 飞机发电机控制系统的发展概况 飞机发电机控制系统是为飞机电源系统提供控制和保护的装置，主要作用是 在人工操纵下，根据自动控制装置发出的信号，使发电机正常发电；当电能质量 满足要求时，向负载供电；当供电系统中某部分发生故障时，切除故障部分，并 保证重要设备的正常供电。 随着飞机电源系统由早期的低压直流电源系统到现代飞机的大功率交直流 共存的电源系统，其发电机控制系统也经历了从简单的机械式人工控制到微处理 器型自动控制，简单可以概括为以下几个阶段o ”： ( 1 ) 活塞式飞机发电机控制系统概况 早期飞机都是活塞式发动机，中国民航使用过的机型有安一2 ，运一5 ，立一2 ， 伊尔一1 4 及c 一5 6 等。在这些飞机上，均采用2 8 v 的低压直流电源系统，电源容 量只有几k w 至十几k w ，并以蓄电瓶作为应急电源，少量负载用的交流电源则由 旋转变流机提供。这种低压直流电源系统也一直沿用到现在。 在这些飞机的直流电源系统中，发动机经过减速器直接驱动直流发电机而产 生直流电源，电压调节器开始为振动式，以后发展为碳片式，发电机系统的控制 方式多借助于继电器和接触器而进行人工控制。 ( 2 ) 涡轮螺旋桨飞机发电机控制系统概况 随着航空事业的发展，涡轮螺旋桨飞机是飞机的升限和航程都增大，对电源 容量的需求也就增加。自5 0 年代以来，在一些飞机上逐渐发展采用了交流电源 系统，因而出现了涡轮螺旋桨飞机上交流与直流电源并重的情况。我国民航使用 的伊尔一1 8 ，安一2 4 ，运一7 和肖特一3 6 0 等机型就是属于这种类型。 2 西北工业大学硕士论文第一章绪论 在这些飞机上，仍保留2 8 v 的低压直流电源系统。同时还配备有由交流发电 机供电的交流电源系统，如容量最大的伊尔一1 8 飞机，他曾装有8 台1 2 k w 的直 流发电机，还有4 台8 k v a 的交流发电机。 在这一阶段的交流电源系统中，一般采用有刷交流发电机，都是单独向各自 的汇流条供电。电压的调节一般采用交流磁碳式( 磁放大器和碳片调压器) ，其 控制方式仍然多为继电器和接触器组成的人工控制电路。 ( 3 ) 喷气式飞机发电机控制系统概况 现代大型飞机随着科学技术不断发展，动力装置由涡轮喷气发动机、涡轮风 扇发动机发展到高函道比的涡轮风扇发动机，可以大大节省燃油，电源系统也随 着更趋完善。喷气式飞机的电源系统以交流电为主电源，在较早的涡轮喷气飞机 波音7 0 7 、三叉戟、图一1 5 4 及波音7 3 7 2 0 0 飞机上，采用无刷交流发电机由恒速 传动装置驱动而发电，电源总容量为8 0 一1 2 0 k v a 。波音7 0 7 等少数飞机上仍采用 磁放大器调压。6 0 年代以后晶体管调压器在飞机上得到广泛应用，控制电路则 在继电器基础上增加了晶体管元件，自动化程度得到提高。到波音7 3 7 3 0 0 以 后的波音7 5 7 、7 6 7 飞机上，广泛采用恒速恒频交流电源系统，恒速传动装置与 交流发电机合为一体成为所谓的组合驱动发电机( i d g ) ，集成电路和电子计算机 在飞机上得到广泛应用，昔日的指示仪表大多以数字显示代替，而且一些主要部 件都具有自检功能。在这些飞机上，单台发电机的容量已经发展到9 0k v a ，在 新型的飞机上，发电机系统的控制保护由发电机控制器( g c u ) 来完成，g c u 是 由微处理器组成的控制保护器，它具有体积小、重量轻、耗电少、动作时间快、 工作可靠等优点。除了对发电机系统提供控制保护功能外，还具有自动卸载控制、 系统状态监控、故障信息存储及显示等多种功能，使控制器朝着自动化、智能化 方向发展。 1 3g c u 的故障保护要求 飞机发电机系统在运行过程中，可能出现各种不同的故障。例如系统组成部 件如发电机、调压器等本身的故障；供电线路如溃电线、汇流条、功率均衡环节 等的故障。故障的表现形式也多种多样，如过电压、欠电压、短路、断路、过频、 欠频及电压不稳定等等。对出现的故障如不及时采取措施就会引起供电异常，甚 西北：业大学硕士论文第一章绪论 至造成严重事故。 由于发电机系统故障很多，发电机控制器( g c u ) 必须针对不同的故障采取 相应的保护措施。例如，有的故障应该断开汇流条联接断路器b t b ；有的故障应 该断开发电机励磁控制继电器g c r 和发电机断路器g c b ；有的故障应该立即动作： 有些故障却要延迟动作等等。可见，针对不同的故障现象，应采取相应的故障措 施，既保护装置要能正确判断故障类型，自动地综合故障信息，有选择的断开相 应的开关装置，使故障部分与供电部分相互隔离，以防止故障进一步扩大，从而 保证重要用电设备的供电。 所以，在对发电机控制器进行测试时，除了要满足性能及可靠性等方面的一 般要求外，还要注意以下几点： ( 1 ) 正确判断故障部位，准确将其与整个电网隔离，但为了保证供电系统 的生命力，应尽量缩小切除部位。如并联系统中的无功不平衡故障，其原因既可 能是功率均衡环路的故障，也可能是调压器的故障。所以应先断开b t b ，使发电 机退出并联。如果是功率均衡线路的故障，则退出并联后故障即消失，发电机转 为单独供电；反之，如果是调压器的故障，则对单台发电机表现为过压或欠压故 障，这时再断开发电机励磁控制继电器g c r 和发电机断路器g c b 。 ( 2 ) 尽量不中断对重要用电设备的供电 ( 3 ) 发电机控制器( g c u ) 的动作要准确而及时，既不应误动作，也不应拒 动作。 1 4g c u 测试台基本理论及设计方法 g c u 测试台是用来对发电机控制器进行地面测试的自动测试系统。主要分为 故障模拟部分和检测分析部分，同一般自动测试设备一样，通过计算机程序和相 应的硬件电路把大量的故障进行模拟，输入被测设备，也就是发电机控制器 ( g c u ) 。然后，再将这些故障产生的激励以及相应的故障代码引入计算机进行分 析处理，得出发电机控制器的故障位置、故障检测率和故障隔离率。在故障模拟 的过程中，必须包括发电机控制器所需监测的所有关键故障模式，因此，需要对 发电机系统，包括组合驱动发电机( i d g ) 作全面的分析，以准确模拟监测故障。 测试台设计需要注意的一般问题田1 ： 4 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 ( 1 ) 结构划分 结构划分的原则是： a 有利于故障隔离； b 被测单元的最大插针数与自动测试设备接口能力一致； c 在不影响功能划分的基础上，尽量使模拟电路和数字电路隔离开； d 尽量将功能不能明确划分的一组电路装在同一个可更换单元中。 ( 2 ) 功能划分 一个可更换单元最好只实现一个功能。如果在一个可更换单元实现多个功能 应保证能对每个功能进行单独测试。 ( 3 ) 电气划分 应尽量利用阻塞门、三态器件或继电器等把正在测试的电路同不在测试的电 路隔离，以避免互相影响并缩短测试时间。 ( 4 ) 初始化 系统或设备应该从确定的初始状态开始故障隔离。没有达到预设的初始状态 应与足够的故障隔离特征数据一起通知操作人员，系统或设备应能够预制到一个 唯一的状态，以保证对已检测出的故障进行重复测试时能得到相同的响应。 ( 5 ) 模块接口 应尽量使用现有的连接器插针进行测试控制和测试观测，对于高密度的电路 板，应优先选用多路转换器和移位寄存器等电路以免增加插针。 ( 6 ) 测试控制( 可控性) 提供专用测试输入信号、数据通路和电路使测试系统能够控制内部单元或元 器件工作，来检测和隔离内部故障。应特别注意对时钟线、清零线、反馈环路的 断开及三态器件的独立控制。 ( 7 ) 测试观测( 观测性) 提供测试点、数据通路和电路测试系统能观测产品内部故障的特征数据。用 于故障的检测和隔离。测试点的选择应足以准确地确定重要的内部节点数据。 ( 8 ) 元件选择 在选择元件时，除性能特征外，应优先选用既有满意的测试性特征的集成电 路或微型组件。同时，优先考虑那些内部结构和故障模式已被充分了解的集成电 西北工业大学硕士论文第一章绪论 路，同时应注意标准化。 ( 9 ) 故障模式 故障模式和影响分析是测试设计和测试性设计的基础。应根据元器件制造工 艺、元器件装配工艺和不利的环境影响来确定故障模式，应充分利用可靠性分析 的结果。 1 5 本课题的研究内容与任务 本课题的任务是在研究某型飞机电源系统的发电机控制装置( g c u ) 的原理、 结构，各功能电路，同时，依据可靠性、测试性设计准则，设计可对g c u 的故障 进行检测和诊断的测试系统。该测试系统通过对发电机控制装置( g c u ) 所应检 测信号进行模拟与仿真，运行g c ub i t e 功能有效地检测各种故障，将故障隔离 到外场可更换部件l r u 一级，发电机控制装置g c u 故障隔离到内场可更换单元 s r u 一级，记录并显示各种故障信息。 这项研究分三个阶段进行。在第一阶段，在熟悉飞机主交流电源系统结构的 基础上研究微处理机型发电机控制器( g c u ) 的原理、硬件、软件设计。第二阶 段，熟悉被测系统也就是发电机控制器( g c u ) 原理以及测试系统设计理论的基 础上完成发电机控制器( g c u ) 测试系统硬件、软件的详细研究设计。第三阶段， 提出对g c u 测试系统故障库的生成、软件升级和系统维护等实现方案。 6 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 2 1 引言 第二章理论基础 飞机供电系统是飞机上电能产生、变换、输送与分配部分的总称，包含从电 源到用电设备输入端的全部，通常分为电源系统和输配电系统两部分。飞机电源 系统是电源到电源汇流条间的部分，输配电系统是从电源汇流条到用电设备输入 端的部分。现代飞机主电源有低压直流电源、恒速恒频交流电源、变速恒频交流 电源、混合电源和2 7 0 v 高压直流电源等五种。配电系统又可被分为常规配电、 遥控配电和自动配电三种类型。随着航空科学技术的发展，飞机上先进的机载电 子设备大量增加，从而对供电系统的供电品质提出的要求越来越高。g c u 作为飞 机供电系统的重要组成部件，对供电系统进行管理，其实现的功能也在不断增强。 2 2 飞机供电系统组成 图2 1 飞机供电系统组成 飞机供电系统组成如上图所示。供电系统为整个飞机产生和提供交流和直流 电源。系统具有自动控制、人工控制以及保护功能。一套备用的交流和直流电源 7 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 既可以为飞机提供正常状态下的电源也可提供紧急备用电源。 2 2 1 交流电源 波音7 3 7 6 0 0 7 0 0 8 0 0 系列飞机电源系统由四台主交流电源和一台备用电源 组成。主交流电源的容量如下所示： 左组合驱动发电机( i d g l ) 9 0 k v a 右组合驱动发电机( i d g 2 ) 9 0 k v a 辅助动力装置( a p u ) 启动器发电机3 2 ，0 0 0 英尺下( 9 ，7 5 3 米) 9 0 k v a ， 4 1 ，0 0 0 英尺( 1 2 ，4 9 6 米) 下降至6 6 k v a 外部电源9 0 k v a 组合传动发电机和辅助动力装置( a p u ) 启动器发电机产生三相，1 1 5 2 0 0 v ， 4 0 0 h z 交流电。在同一时刻，相同负载下启动对交流电源的保护功能。 2 2 2 备用电源 三组变压整流装置将1 1 5 v 交流电变压整流为2 8 v 直流电。飞机有如下备用 直流电源： 主蓄电池 主蓄电池充电器 备用蓄电池 备用蓄电池充电器 电池组是其他电源因故无法运行时的备用直流电源。备用电源控制组件 ( s p c u ) 对直流电源配电进行控制。当正常供电失效时，备用电源将对必需的用 电设备提供至少6 0 分钟的直流和交流供电以保证安全飞行。电池组用来提供直 流电。旋转变流机或静止变流器将蓄电池的低压直流电转换为交流电。备用电源 控制器( s p c u ) 对备用交流和直流电源配电进行控制。 2 2 3 保护系统 飞机供电系统采用自动控制装置防止供电失效和负载故障。这些外场可替换 8 r 曲北= 业人学硕士论文第二章理论基础 组件为供电系统提供保护和控制逻辑：左发电机控制器( g c u l ) ；右发电机控制 器( g c u 2 ) ；辅助动力装置发电机控制器( a g c u ) ；汇流条电源控制组件( b p c u ) ； 备用电源控制器( s p c u ) ；启动变流器组件( s c u ) 。 其中，发电机控制器( g c u ) 监测整个供电系统以控制和保护组合传动发电 机。辅助动力装置发电机控制器和启动器变流器组件一起工作以控制和保护辅助 动力装置启动器发电机。汇流条电源控制器控制和监测外部电源的使用并保护飞 机防止外部电源供电超出正常范围。 2 2 4 控制系统 p 5 板( 如图2 1 所示) 上的各功能模块给出了人工控制的内容：电表，电池 和活动电源模块( p 5 1 3 ) ；发电机驱动和备用电源模块( p 5 5 ) ；交流系统，发 电机和辅助电源组件模块( p 5 4 ) 。 这些模块上的开关将信号发给可控制部分系统的外场可替换组件。外场可替 换组件将控制继电器和断路器通或断以控制供电系统。 断路器闭合可使电流通过汇流条。当操作人员命令发电机控制器g c u 闭合断 路器时则断路器闭合。g c u 只有当供电质量很好和汇流条上无其他电能时才闭合 断路器。g c u 通过汇流条电源控制器接收断路器位置状态。以下是主要断路器： 外部电源接触器( e p c ) ；辅助电源断电器( a p b ) ；发电机控制断路器( g c b ) 。 同时，p 5 板上的模块通过指示灯和字母数字l e d 显示器也可监测供电系统的 状态。 2 3 飞机供电系统原理 该飞机电源系统是一个恒速恒频( c s c f ) 系统。c s c f 交流电源系统的发电机 通过恒速传动装置( c s d ) 由飞机发动机带动，可以发出频率为4 0 0 h z 、电压为 1 1 5 2 0 0 v 的交流电。交流发电机的额定容量为9 0 k v a ，辅助电源( a p u ) 为辅助 动力装置驱动的交流发电机 恒频恒速交流电源系统主要采用了组合驱动发电机、微处理器式发电机控制 保护组件及汇流条功率控制组件，使其具有重量轻、体积小、可靠性高等优点。 另外，其控制组件采用了模块化设计，并具备机内自检测功能，使维修性得到改 9 西北工业大学硕士论文 第二章理论基础 善。图2 2 所示为飞机电源系统( e p g s ) 单相线路图。 小r 瑚n 图2 2 飞机e p g s 框图 e p g s 的主要任务是给连接在交流汇流条( a cb u s ) l 、2 或交流接地汇流条 上的负载提供电源。负载传输总线的电源一般来自三个通道：左右i d g 、a p u 发 电机或是地面外部电源。传输总线上的典型设备有：变压整流器( t r u ) 、发动机、 风扇、通信设备、指示灯、厨房供电系统和航空电子设备。在飞行中，通常由 i d g 独立的给交流汇流条1 和交流汇流条2 供电。a p u 的发电机控制断路器( g c b ) 允许a p u 发电机给任一路或所有的汇流条供电。当飞机在地面时，外部电源可以 给所有汇流条供电。 飞机的e p g s 有两个e g i u ，三个g c u ，一个g p c u 。g p c u 提供控制，保护和外 部电源测试设备( b i t e ) 功能，也是e p g s 的b i t e 通讯枢纽。e g i u 以数字模式 传送e p g s 信号到系统数据采集计算机( s d a c g ) 。这个信号传送给飞机电子中央 监控( e c a l i ) 显示器以备机务人员监控运行。三相电流互感器( c t a ) 允许g c u 测 量汇流条上的电流并检测差分故障情况。 i d g 系统由组合传动发电机( i d g ) 、发电机控制器( g c u ) 、发电机控制断路 器( g c b ) 、线路电流互感器( c t a ) 、汇流条转换接触器( b c t ) 、发电机电流互感 i o 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 器( c t a ) 、防火开关等组成。组合传动发电机( i d g ) 由恒速传动装置c s d 和主 发电机g e n 组成。i d g 系统框图如下图2 3 所示。 恒速传动装置( c s d ) 的作用是将在一个较宽范围内变化的动态输入轴转速 稳定为一个恒定的输出轴转速。输入轴与发动机附件机匣相联结，其输出轴与发 电机相联结。该恒速传动装置c s d 自我保护机构是在其输入轴上安装了一个低熔 点合金脱开装置和一个剪切力矩细轴装置。 q a 打 图2 3 主电源( i d g ) 通道框图 主发电机是一个喷油冷却旋转整流器式无刷同步发电机。第一级是副励磁 机，是一个永磁发电机( p m g ) ，其作用是为交流励磁机及g c u 供电，达到主交流 电源系统电力供应自我封闭独立的要求。第二级为交流励磁机，是一个旋转电枢 式同步发电机，在转子的电枢绕组上产生三相交流电，经整流后为主发电机提供 直流励磁电流。第三级主发电机是一台旋转磁极式同步发电机，定子绕组输出 1 2 0 2 0 8 va c 、4 0 0 h z 三相交流电。g e nc t 位于主发电机三相绕组末端，其作用 是测量发电机输出电流，它与发电机馈线上的电流互感器组配合，其输出差动电 流信号给发电机控制装置g c u ，以对馈线和发电机进行保护。 g c u 是e p g s 的一部分，用来控制传送给第一和第二交流负载传输总线的 1 1 5 v ，4 0 0 h z 三相交流电。g c u 是电源系统的控制中心。发电机控制断路器( g c b ) 是i d g 系统中的执行部件，它由g c u 控制器通断。当电源系统供电品质在其控制 的范围内，g c u 发出接通电网命令，使g l c 吸合，将合格的电力提供给机上负载 西北i ：业大学硕士论文 第二苹理论基础 汇流条。线路电流互感器组件( l i n ec t a ) 位于g l c 之后，用于测量负载电流， 与g e nc t a 配套组成差动环。当发电机发生故障时，g c u 隔离故障并能断开与其 相连的发电机控制断路器( g c b ) 。g c u 也可以通过控制相应的汇流条连接断路器 进行控制。i d g 通道和辅助电源通道的g c u 是一模一样的，可互换使用，g c u 可 为相关发电机提供系统保护、控制和电压调节等功能。 e p g s 主要功能：将飞机发电机附件齿轮箱输出的机械能转换成1 1 5 v 2 0 0 v a c 4 0 0 h z 恒频交流电，供机上用电设备使用。 2 4 飞机g c u 工作原理 轧 2 4 1g c u 的组成及其原理 发电机控制器( g c u ) 是飞机电源系统的控制中心，它与系统间的连接关系 见图2 2 。g c u 有控制、保护及b i t 功能，它能确保p o r 处的电源品质在规定的 范围内。其内部调压器保证了系统在电压调节点处的电压稳定在1 1 5 1 2 5 v a c 。 g c u 的异步通讯适配器( a c i a ) 完成g p c u 和g c u 之间的通信。g c u 还有b i t 功能， 基于微处理器的测试( b i t e ) 系统有效的进行故障查找和故障隔离。1 。 g c u 检测来自电压调节点，汇流条，传输总线的信号，并通过检测i d g 和永 磁发电机的相位角度来得到频率信息。a g c u 监测辅助电源组件启动交流器。所 有的信号传输都由断路器通断控制。 飞机电源系统e p g s 的主要组成包括：两个i d g 、三个g c u 、一个汇流条电源 控制器b p c u 、一个辅助电源装置发电机a p c u 和一些分散的差动电流保护互感器 d p c t 。 g c u 和i d g ，a p u 发电机，b p c u ，d p c t ，以及飞行甲板控制面板开关一起工作。 g c u 为飞机电源系统提供电压调节作用，频率以及系统的控制和保护。g c u 的b i t 功能也保证系统的故障隔离和显示。一个g c u 装在i d g 的主通道，另一个装在 a p u 发电机通道。在这些通道中g c u 可互换，与a p u 发电机相连的g c u 叫做a g c u 。 g c u 由以下五块印刷电路板组成，安装在3 微处理控制器a r i n c 6 0 0 机箱内。 ( 1 ) a 1 板：a r i n c 通信p w b 板( 附录i ) 这个模块包含一个用来启动b i t 的开关和7 个l e d 显示器，这些指示器在任 1 2 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 何时候识别最高优先级的l r u 和总线故障或在g c u 测试通过后显示t s e tp a s s 样式。 a 1 板上有一个按钮型开关用来进入g c u 的b i t 功能。当按下这个开关时启动 b i t 测试的信号则被发送给g c u 或a g c u 。当这个开关处于闭合状态时，此时开关 信号电平被置为低。这个信号在a 2 板上由转换器u 2 4 进行转换。然后 s e l f - t e s t - s w 信号被置为高电平。这个信号被输入到f p g a 的a 2 u 卜a 5 管脚启动 b i t 测试。 ( 2 ) a 2 板：分立的输入输出板( 附录) 这块p w b 板是分立的接口板，用于控制b t b 的断开和闭合状态，同时还集成 了断路器驱动、l 即驱动以及输出驱动。所有的离散输入包括控制开关、l r u 和 l o p 都接入这块板。a 2 板也为每个程序控制其逻辑次序，一个独立的+ 5 v 电源和 a 3 产生的+ 5 v 电源进行与为关键电路提供故障保险电源。a 2 板的光隔离信号来 自于内部g c u 电子装置发送到外部的信号，跏i 滤波器隔离电磁干扰辐射保护电 路防雷击。以下是a 2 板主要的电路功能： a 断路器驱动电路 这个电路部分为汇流条连接断路器提供断开和闭合的驱动信号。只有飞机处 于飞行状态中g c u 处于主通路位置时才运行此电路。如果g c u 故障保护信号为有 效状态( 低电平) g c b 断开而b t b 闭合。如果这动作有效( 高电平) ，转换缓冲 器失效从而保护b t b 不受电压忽高忽低的影响。 当g c u 监测功能、显示功能受损时，g c b 或a p b 断开( 通过a 3 板) 并且b t b 闭合( 如果b p c ub t b 关闭并且故障保护信号有效时这个信号会有5 0 l i l s 的延时) 。 电压调节器失效并且发电机控制继电器断开。a p u 系统控制信号v r - e n a b l e 变为 无效状态并且a 1 板上的故障指示灯显示“g c uf a u l t ”。 断路器驱动电路由b t b 断开闭合电路，b t b 断开电路，b t b 闭合电路，固体 继电器( s s r ) 监测电路和s s r 过流保护电路组成。 b 故障保护电路 这个电路可以使g c b 直接断开并确保在没有硬件保护故障的情况下闭合 b t b 。完整的故障保护电路由延迟故障保护电路和故障保护电路组成。 延时故障保护电路只有当g c u 处于主通道位置时才为b t b 驱动电路提供故障 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 保护延迟时间；在故障保护电路中，上电复位信号和a 2 、a 3 启动故障保护信号 相或得到最终的故障保护信号输出。 c 可编程门阵列( f p g a ) 和非易失性存储器( n ) 电路 这些电路用来产生系统的控制逻辑和保护逻辑，非易失性存储器用来存储故 障信息。 f p g a 是专用可编程门阵列，其作用是作为b i t 控制和离散输入输出的接口。 晶振g 1 为f p g a 提供2 0 0 k h z 方波信号。当有效的a 2 上电复位信号作为i n t _ p u 胁 管脚信号输入f p g a 时，f p g a 复位并且下拉电阻r 3 5 6 保证在开路状态下f p g a 处 于置位状态。当g c u 启动故障保护时有效的f a i l s a f e 木信号作为内部故障信号输 入到f p g a ( 用于内部锁存和复位逻辑的控制开关) 。故障保护的运行与f p g a 没 有直接关系除了一些自检测的故障。电阻r 5 是限流和隔离电阻。当在电源上升 与下降的过程中g c u 的输出仍然停留在上一个状态时，f p g a 的u 卜g 1 管脚采集 h o l d o f f 信号的状态，h o l d o f f 信号在隔离和限流电阻r 2 4 9 起作用后变为 i n t _ h o l d o f f ，i n t h o l d o f f 信号将作为验证上电次序信号的一部分。 非易失性存储器是一个3 2 k 丰8c m o s 的电程序只读存储器。其地址线被隐藏 使得只有一个管理员可以对它进行存取，输入输出数据线用于故障信息的输入 和输出。最高优先级的故障可以在n v m 中被处理。 d l e d 驱动电路( 如图所示) 嚣弋f 一1 j 一 ” o 堪 j _ j m o n j r u 0 诧 j j 一 二j 2 j ，、一 艟 讲 o 阳 _ j j m 0 删 j j m 0 毗 _ j 。 j ：嚣：l 莹二搿茹搿鼎塌鬟降 啪 1 图2 4 l e d 驱动电路 1 4 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 这些电路是为g c u 前面板上的指示灯开启提供驱动电路。包括g c u 故障灯驱 动、g c b a p b 故障灯驱动、分配器总线故障灯驱动、馈电线故障灯驱动i d g 故 障灯驱动、b t b 故障灯驱动、t e s tp a s s 显示灯驱动。h o l d o f f 信号可以使这些 灯无效。如果h o l d o f f 信号为高电平，则转换缓冲器u 4 和u 9 关闭或称高阻抗。 l e d 指示灯由f p g a 上的n t l e d _ 卜7 管脚信号控制。 e 输出驱动1 和2 当g c u 处于a p u 通道位置时输出驱动电路为g c u 提供驱动信号。而当g c u 处 于主通道或a p u 通道时，过流输出驱动电路提供过流驱动信号。除此以外，输出 驱动还包括欠压保护标志驱动、过压保护标志驱动、启动电压调节驱动、a p u 发 电机电源可用驱动、备用电源开关1 位置驱动、备用电源开关2 位置驱动、释放 故障保护3 电路和过流电路。 f 输出驱动3 这个电路也是在g c u 位于主通道位置时提供驱动信号。包括转换总线关闭指 示灯驱动，电源关闭灯驱动，i d g 指示灯驱动以及释放故障保护2 电路。 g 下拉输入 这个电路提供调整好的输入信号以至于它的输出信号可以直接输入f p g a 。整 个电路由总线汇流条断路器闭合输入电路，电源关闭命令输入电路，a p b 脱开 g b c 断开输入电路，b p c u 故障保护输入电路，g c s a p s l 打开输入电路，g c s a p s l 关闭输入电路，控制开关返回电路，a g c ur t l 输入电路。 h 上拉输入电路 上拉输入电路由f p g a 需要的电压检测电路组成。这是检测开路信号和接地 信号的典型应用结构，这些电路包括g c b a p b 感应输入电路，b t b 感应输入电路， a p b 位置检测输入电路，外部电源接触器位置检测输入电路，g c u 状态检测输入 电路，空中地面开关状态检测输入电路，点火开关输入电路，a p u 电火开关2 检测输入电路，g c u l 状态检测输入电路和低油压开关输入电路。 i 离散输入b i t 激励 这个电路驱动和监测b i t 上拉下拉的有效无效激励信号。整个电路由b i t 上拉有效和无效激励电路、b i t 下拉有效和无效激励电路、离散b i t 监测电路1 和2 。 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 j 测试输入输出电路 这个电路调节和缓存用于测试和启动b i t 内部和外部的测试信号，测试缓冲 器状态如下表2 1 所示。在场级维修中该电路还可用于将n v m 中的非激励故障清 零。完整的电路由测试缓冲器、自检测开关电路和n v m 清零电路。 表2 一l 测试缓冲器状态 t e s to u t l t e s to u t 2 t e s to u t 3s t a t e 1l1n o r m a la n dp a s st e s t 1 1og c u a p uf a u l t l01g c b a p bf a u l t 1 ooi d gf a u l t ol1f e e d e rf a u l t o1od i s t b u sf a u l t oo1b t bf a u l t 0 o0b i tf a u l t k 电源电路 电源电路提供独立的1 5 v d c ，1 0 v d c 电压和5 v d c 故障保护电源( 与接地电源 隔离) 。 ( 3 ) a 3 板：模拟p w b 板( 附录) a 3 板的功能是电隔离来自g c u 的内部电子设备发送到外部的信号，并提供模 拟保护功能。e m i 滤波器隔离电磁干扰辐射保护电路防雷击。a 3 板接收发电机电 流互感器、调节点以及主汇流条信号，控制发电机断路器的断开和关闭。 a 3 板主要是隔离g c u 内外信号的隔离电路，并保护所有的发电机防止电磁干 扰和雷击，其功能电路主要有以下几种：高强度无线电频率( h i r f ) 电路、信号 调理电路、f p g a 电路、故障保护电路、自测试( b i t ) 电路和多功能集成电路。 a 高强度无线电频率( h i r f ) 电路( 如图2 5 所示) 1 6 西北工业大学硕士论文第二章理论基础 图2 5h i r f 变压器隔离电路 h i r f 电路为交流保护功能提供变压器隔离。这个电路由汇流条c 相递减和隔 离电路、电压p o r 递减和隔离电路，发电机线电流负载电阻隔离电路和a p u 发电机p m g 隔离电路。汇流条c 相递减和隔离电路作用是逐步减小汇流条c 相电 压并为失效的总线测试电路提供隔离，即在汇流条外部信号到l r u 的通路上串联 4 9 9 k o h l l l 的电阻。汇流条c 相电压信号( 1 1 5 v 硼4 0 0 h z ) 通过2 8 ：1 的变压器 t 1 隔离后逐步降为4 1 v r m s 并且通过汇流条返回导线返回地面。这个信号由低 通滤波器( 电阻r 8 和电容c 6 0 组成) 滤波后作为t i e c v l t 信号输出。电压p o r 级减和隔离电路逐步减小调节点电压并隔离过压、欠压、相序和断开调节点线圈 感应电路。三个2 8 ：1 的变压器将调节点a 、b 、c 三相电压( 1 1 5 v m 4 0 0 h z ) 隔 离后逐步降为4 1 v 珈s 。这个信号由低通滤波器( 电阻r 9 和电容c 6 1 组成) 滤 波后作为p o r a v l t 信号输出。发电机线电流负载电阻隔离电路是在发电机三相 负载相电流通路接入负载电阻，使这个电流与电压同比例的增加到发电机负载电 流大小。这个电路还可以提供差动保护、过流和不平衡的相电流保护电路的隔离， 以及仅当g c u 位于主通道时的电流表、稳压器电流的限制功能。a p u 发电机p m g 隔离电路主要是当g c u 处于a p u 通道位置时，通过变压器为过频欠频检测电路 提供a p u _ g e n p m g 频率信号的隔离。两路差动信号反映出了a p up m g 频率 西北工业人学硕士论文第二章理论基础 ( 1 2 0 0 h z = 满速) ，这些信号为正弦波形式并且在频率为零时电压也为零。正常的 信号电压峰峰值是在1 5 2 0 v 之间。 b 信号调理电路 信号调理电路