（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究.pdf

基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究a b s t r a c tc e r t a i nt y p eo fg e n e r a t o rc o n t r o iu n i t ( g c u ) a n db u sp o w e rc o n t r o lu n i t( b p c u ) a r et w on e w l yd e v e l o p e dp r o d u c t s p l a y i n ga ne s s e n t i a lp a r ti nt h ea e r o p l a n ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h e ym u s tb es t r i c t l yt e s t e db e f o r et h e ya r ed i s p a t c h e df r o mt h ef a c t o r yt oe n s u r et h e i rq u a l i t y c o n c e r n i n gt h ef a c tt h a tt h et r a d i t i o n a lt e s t i n gm e t h o d sc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h eh i g h s p e e d ，h i g h p r e c i s i o n ，m u l t i - f u n c t i o n a la n dm u l t i p a r a m e t e rt e s t s ，i ti su r g e n tt od e v e l o pa na u t o m a t e dt e s ts y s t e mw h i c hc a nb e u s e df o rb o t hp r o d u c t s v i r t u a li n s t r u m e n ti st h er e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h i st h e s i si sar e s e a r c ho nh o wt ob u i l da na u t o m a t e dt e s ts y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t f i r s t ，ab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e mi sg i v e n p r o g r a m m a b l ep o w e rs o u r c ei se m p l o y e dt os i m u l a t et h eg e n e r a t o r b ym a n i p u l a t i n gt h ep r o g r a m m a b l ep o w e rs o u r c ea n ds w i t c hn e t w o r k ，s i g n a l st h a ta r et r a n s m i t t e dt og c ua n db p c ua r ep r o d u c e d d a t aa c q u i s i t i o nc a r dc o l l e c t sd a t aa b o u tt h ep o w e ro u t p u tt or e a l i z eac l o s e l o o pc o n t r o l ，a n dp r o t e c t i o ns i g n a lo ft h et w oc o n t r o l l e r st oc o m p u t et h ed e l a yt i m e f o l l o w e da r cs o m em a t h e m a t i c a lm e t h o d so f t h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go ft h es i g n a l so ft h es y s t e ma sw e l la sac o m p a r i s o no ft h o s em e t h o d s a sf o rt h ec l o s e - l o o pc o n t r o lac o m p a r a t i v ea p p r o a c hi sa d o p t e dt om a k ea r ta n a l y s i so ft h em e t h o d sf o rc o l l e c t i n gd a t ab yd a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h ef i n a lp a r to ft h et h e s i si sh o w , w i t ht h es u p p o r to fl a b v i e w ，t oa u t o m a t i c a l l yg e tt h et e s t i n gr e c o r d sa n da c h i e v ea na u t o - n e t w o r kt e s ts y s t e m t h ei n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ：t h ec l o s e l o o pp o w e rc o n t r o l ，ac o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h em e t h o d so nt h er e a l i z a t i o no fd r i v i n gt h en o n - n id a t aa c q u i s i t i o nc a r db a s e do nl a b v i e w ，o f f e r i n gm e t h o d so ft e s t i n gp a r a m e t e r s ，a n dc o m i n gu pw i ms o m ei d e a so na u t o m a t e dg e n e r a t i o no f c o m p l e xr e p o r t 。k e y w o r d s ：g c u ，b p c u ，a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ，p r o g r a m m a b l ep o w e rs o u r c ed a t aa c q u is i t i o n承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文注释表a n s i ( a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e ) 美国国家标准协会a r i n c ( a e r o n a u t i c sr a d i oi n c o r p o r a t i o n ) ( 美) 航空无线电公司a t e ( a u t o m a t e dt e s te q u i p m e n t ) 自动测试设备a t s ( a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ) 自动测试系统b i t e ( b u i l ti nt e s te q u i p m e n t ) 机内自测试设备b p c u ( b u sp o w e rc o n t r o lu n i t ) 汇流条功率控制器c i n ( c o d ei n t e r f a c en o d e ) 代码接口节点c l f ( c a l ll i b r a r yf u n c t i o n ) 调用库函数c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 构建对象模型c v i ( cf o rv i r t u a li n s t r u m e n t ) 适合虚拟仪器使用的c 语言d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 动态数据交换d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) 动态链接库e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 电子工业联合会g a l ( g e n e r a la r r a yl o g i c ) 通用阵列逻辑g b ( g e n e r a t o rb r e a k e r ) 发电机断路器g c r ( g e n e r a t o rc o n t r o lr e l a y ) 发电机控制继电器g c u ( g e n e r a t o rc o n t r o lu n i t ) 发电机控制器g p i b ( g e n e r a l p u r p o s e i n t e r f a c e b u s ) 通用接口总线h t m l ( h y p e rt e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 超文本标记语言i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c 缸 o n i c se n g i n e e r s ) 电气与电子工程师协会i v i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ) 可互换虚拟仪器l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 实验室虚拟仪器集成环境l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 局域网l o c s ( l o c a ls t a t e ) 本地状态l r u ( l i n er e p l a c e a b l eu n i t s ) 外场可更换单元n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) ( 美国) 国家仪器公司p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) 计算机外围部件互连( 总线)基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究p i d ( p r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a l ，d e r i v a t i v e ) 比例，积分，微分p x i ( p c ie x t e n t i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 总线在仪器领域的扩展r e m s ( r e m o t es t a t e ) 远程状态s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m i n gi n s t r u m e n t ) 可编程仪器标准命令u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线u u t ( u n i tu n d e rt e s t ) 被测设备v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 虚拟仪器v i s a ( v i r t u a li n s t r t m l e n t a f i o ns o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ) 虚拟仪器软件结构v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) v m e 总线在仪器领域的扩展w a n ( w i d e a r e a n e t w o r k ) 广域网x南京航空航天大学硕士学位论文1 1 引言第一章绪论人类要改善生存环境，提高生活质量，就要对现实世界进行改造。测量是揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界，进而改造世界的重要手段。钱学森说：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术和通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础。”著名科学家门捷列夫用一句话概括了测量对科学的作用：“没有测量，就没有科学。”测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量与试验的综合【2 j 。测试技术的发展促进了科学技术的提高，科学技术的提高又促进了测试技术的发展，二者相辅相成，共同推动社会生产力不断前进。1 6 6 5 年虎克利用光学显微镜观察软木栓，发现了细胞，从而促进了生物学的发展。据美国国家标准技术研究院( n i s t ) 的统计，美国为了质量认证和控制、自动化及流程分析，每天要完成2 5 亿个检测，占国民生产总值( g n p ) 的3 j 5 。美国商业部国家标准局2 0世纪9 0 年代初评估仪器仪表工业对美国国民经济总产值的作用时，在提出的报告中称：仪器仪表工业总产值只占工业总产值的4 ，但它对国民经济的影响达到6 6 。在诺贝尔物理和化学奖中，大约有1 4 是属于测试方法和仪器创新的i j j 。由此可见，提高测试水平降低测试成本，减少测试误差，提高测试效率，对国民经济各个领域都是至关重要的。随着计算机技术的飞速发展，测试领域发生了根本性的变革。自动测试系统在航空航天、生产科研、军用武器装备、通信、能源等领域得到了广泛的应用。虚拟仪器的出现使得自动测试系统的功能获得了很大提高，组建更加灵活方便，并且降低了自动测试系统的成本。1 2 仪器技术的发展仪器是一种信息的工具，起着不可或缺的信息源的作用。如果没有仪器，就不能获取生产、科研、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的3 1 。仪器技术发展到现在，大致经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器四个阶段。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 概念是美国n i 公司基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究于1 9 8 6 年首先提出的，其基本思想是在一定的硬件环境( 或平台) 支持下，通过编制和执行不同的虚拟仪器软件，来构成各种不同的仪器，实现各种用户定义的仪器或测试功能 4 】。虚拟仪器的出现是计算机技术与仪器技术高度结合的必然结果。传统仪器和虚拟仪器的功能基本上都是由三部分组成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、信号的表达与输出。对于传统仪器，这几部分功能是以硬件或固化在仪器内部的软件来完成的，仪器的功能不易更改。虚拟仪器的杰出贡献在于突破了这种取决于仪器制造商的“硬件固定”的模式，强调了“软件即仪器”的概念，软件成为测试系统的核心 4 1 。1 2 1 虚拟仪器的构成虚拟仪器可以被分成软件和硬件两部分。虚拟仪器的软件部分由应用程序和i o 接口仪器驱动程序组成。虚拟仪器应用程序的软件开发环境有很多，基本上可以被分为两种：一种是基于传统文本式编程语言的软件开发环境，如c + + 、v i s u a lb a s i c 、v c + + 、l a b w i n d o w s c v i ( cf o r v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 等；一种是基于图形化语言的编程环境，如l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 、h pv e e ( h e w e t tp a c k a r dv i s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ) 等。l a b v i e w 是图形化编程语言的典型代表，它支持v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 、p x i ( p c ie x t e n t i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 、i e e e1 3 9 4 等各种测试总线，支持s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m i n g i n s t r u m e n t s ) 、i v i ( i n t e r c h a n g e a b l e v i r t u a l i n s t r u m e n t s ) 、v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o r w a r ea r c h i t e c t u r e ) 、d a t a s o c k e t 等各种虚拟仪器软件标准，l a b v i e w 事实上已经成为图形化编程语言的软件标准。由于l a b v i e w 采用基于流程图的图形化编程方式，因此也被称为g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 5 1现今虚拟仪器的硬件体系结构主要有以下四类：p c d a q 体系结构、g p i b体系结构、v x i 体系结构、p x i 体系结构。同时，利用计算机的并行接口、串行接口也可以构建虚拟仪器的硬件平台；利用现场总线接口可以构成分布式的虚拟仪器，利用计算机的网络接口还可以组建网络化的虚拟仪器。从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线：一条是向高速、高精度、大型自动测试设备方向发展，即g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) ( 1 9 7 5 ) _ v x i ( 1 9 8 7 )一p x i ( 1 9 9 7 ) 的发展路线：另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，2南京航空航天大学硕士学位论文即p c 插卡( 1 9 8 7 ) 一并口式( 1 9 9 5 ) 一串口u s b i e e e1 3 9 4 ( f i r e w a r e ) 方式( 1 9 9 9 ) 的技术路线。虚拟仪器的结构如图1 1 所示。三三三三卜局域网或互联网j一f 孓) 丹| 机r 二至 h 二二卜- + | 现场总线世备k 一- + | 其它一算帆硬件 图1 1 虚拟仪器构成框图1 2 2 虚拟仪器的发展及应用自1 9 8 6 年虚拟仪器的概念被提出以来，在最近几年获得了飞速的发展。虚拟仪器的开发平台主要有美国n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 以及h p 公司的v e e 。n i 作为虚拟仪器这一概念的创始人，是当前虚拟仪器技术发展的领导者。n i 提供大约5 0 0 多种软硬件产品，应用遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业领域。美国g e o m a t i c s 公司( 1 9 9 6 )采用l a b v i e w 软件开发而成一套自动化灌溉系统，该系统运行于m a c i n t o s h 计算机上，并通过现场处理器以星型结构连接一系列分布于农场中的土壤温度张力计、电磁阀、压力与流量传感器及水泵等，由现场处理器通过r s2 3 2 接口与主机实现串行通信【6 。在剑桥、麻省理工、斯坦福等世界一流大学，虚拟仪器已基于虚拟仪器的e 机电源系统自动测试技术研究经成为相关学科学生必须掌握的学习工具，教师也普遍应用虚拟仪器辅助教学。因为使用虚拟仪器组建自动测试系统具有诸多优点，所以它在军事和航空航天高科技领域倍受青睐，美国军方已经使用了多种基于虚拟仪器的自动测试系统。目前，全世界有超过5 0 0 0 个实验室在使用虚拟仪器。在我国，虚拟仪器技术也被广泛地应用于各个领域，进入2 1 1 工程的学校中已有7 0 多所选用了n i 的产品，n i 和清华大学、吉林大学等我国的很多高校建立了联合实验室。清华大学电机系利用l a b v i e w 软件开发出一系列电工实验用虚拟仪器，替代传统的电工实验仪器，成功改造了实验内容，明显提升了实验教学的水平。随着虚拟仪器技术优越性的显现，其应用必将在更多的领域得到普及。1 3 自动测试系统概述现代科学的迅速发展对测试技术提出的要求越来越高，在航空航天、雷达、通信等领域，对系统的鉴定、调试、维护，或者大规模集成电路的生产和检验，都远非人工测试所能胜任，在保证测试可靠性的基础上如何加快测试速度成为一个重要的研究方向。自动测试系统的出现极大地提高了测试的速度。一般意义的自动测试系统( a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ，a t s ) 是指那些采用计算机控制，能实现自动化测试的系统，也就是对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称【4 l 。自动测试系统具有测试精度高、测试速度快、系统功能强等优点，适合于对速度、效率要求较高的功能、性能测试。综合了测量技术、电子技术、自动化技术、计算机技术等多种技术于一体的自动测试技术的水平对国民经济和国防建设都具有重要的意义，各国对此都非常重视。美国自2 0 世纪8 0 年代开始投入大量的人力和资金，研发各军兵种使用的多种自动测试系统，并陆续投入使用，通过多次局部战争的考验，产品正在走向成熟 4 1 。相对于一些发达国家，我国对自动测试技术的研究还有一定的差距。自动测试系统( a t s ) 一般由自动测试设备( a u t o m a t e dt e s te q u i p m e n t ，a t e ) 、测试程序集、软件开发工具三部分组成【4 l 。自动测试设备主要由控制器、信号源、开关网络、信号调理电路等组成。控制器在自动测试设备中处于核心地位，它以打印机、显示器、键盘作为人机接口，向信号源、开关网络、测量4南京航空航天大学硕士学位论文仪器发布控制命令并接收测量仪器发送的数字信号；信号源在自动测试系统中的作用是向被测对象( u n i t u n d e r t e s t ，u u t ) 提供各种激励信号：开关网络的作用是按照控制器的命令提供信号传输的路径。自动测试设备的基本组成如图1 2 所示。图i 2 自动测试设备的基本组成1 4 本文的研究内容及其意义在飞机供电系统中，发电机控制器( g e n e r a t o rc o n t r o lu n i t ，g c u ) 和汇流条功率控制器( b u sp o w e rc o n t r o lu n i t ，b p c u ) 是两个非常重要的部件，对其质量的可靠性要求很高。本实验室在对某型号飞机电源系统改造时，研制了新型的g c u 和b p c u ，需要一套与其配合的自动测试系统以测试其质量，提高故障定位的速度，为批量生产该产品及产品的维护提供保障。本文研究的内容，主要就是针对二者开发一套自动测试系统所需要的技术。该自动测试系统适用于产品的生产和维护两个阶段。本文采用n i 公司的l a b v i e w 作为自动测试系统的软件开发平台。针对n i 公司数据采集卡比较昂贵的现实，为了降低自动测试系统的成本，采用国产数据采集卡来代替。由于l a b v i e w 不支持的数据采集卡无法被 m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o n 软件识别，本文比较了开发数据采集卡驱5基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究动程序的几种方法，实现了对程控电源的闭环控制。l a b v i e w 提供的定时器精度有限，不能胜任本自动测试系统的要求，本文研究了一种提高定时器精度的方法。利用通信技术实现报告的自动生成也是本文的创新点之一。此外，本文还对测试网络化进行了较为详细的研究。本文的主要章节如下：第一章：绪论，简要介绍了虚拟仪器的概念，自动测试技术的意义、基本组成及国内外的发展现状、本文所作研究的目的，对全文的主要研究内容进行了概括。第二章：某型飞机供电系统介绍，主要介绍了飞机供电系统的基本原理，发电机控制器和汇流条功率控制器实现的功能、基本组成及测试要求。第三章：飞机电源自动测试系统，主要介绍了对g c u 和b p c u 进行自动测试所需的硬件平台及各部分的作用：第四章：自动测试系统的信号处理方法，主要研究了自动测试系统中数字信号分析与处理的理论依据；第五章：自动测试系统的软件实现，利用l a b v i e w 完成了自动测试系统的软件设计：第六章：自动测试系统的网络化研究，研究了几种实现测试网络化的方法；第七章：全文总结，简要概括了本文的主要研究成果，并提出了后续工作建议。6南京航空航天大学硕士学位论文2 1 引言第二章某型飞机供电系统介绍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 和b p 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l l o j 。某型飞机共装有四台发动机，左右各两台，每台发动机带动一台交流发电机，组成四个交流发电通道，每个通道需要一台交流g c u ，全机交流电源系统使用一个交流b p c u 。图2 1 所示为某型飞机交流供电系统。图2 1 某型飞机交流供电系统基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究同型号该飞机还装有四台直流发电机，左右各两台，组成四台直流发电通道。每个通道配备一台直流g c u ，全机直流电源系统使用一个直流b p c u 。本文所研究的测试对象为交流c j c u 和b p c u 。2 3g c u2 3 1g c u 的组成g c u 由6 块电路板组成，即c p u 板、i o 接1 ：3 板、电源板、调压板、1 5 5 3 b板和母板。1 ) c p u 板是c k 3 u 的核心部件，它包括上电复位电路、c p u 、数据总线驱动电路、地址总线锁存电路、程序存储器、数据存储器、数字量的i o 口等电路。2 ) i o 接口板包括输入接口电路和输出接口电路两部分。输入接口电路对输入的模拟量信号和数字量信号进行调理和电平变换。模拟量信号有：调节点电压、发电机输出电流、差动互感器电流；数字量信号包括：永磁副励磁机的输出频率、发电机的频率、g b ( g e n e r a t o rb r e a k e r ) 辅助触点信号、g b 的控制信号。输出接e l 电路由g c r ( g e n e r a t o rc o n t r o lr e l a y 、g b 的线圈控制电路等部分组成。3 ) 电源板实现对g c u 内其它几个电路板的供电，有两路输入。4 ) 调压板保持发电机输出电压稳定于规定水平，具有励磁电流限制和励磁电流过大保护等功能。5 ) 1 5 5 3 b 板是g c u 与1 5 5 3 b 总线的接口，1 5 5 3 b 协议芯片采用的是d d c公司的b u 6 1 5 8 0 芯片。6 ) 母板将上面5 块电路板联系起来，c j c u 与外部的连线由母板统一引出。2 3 2g c u 实现的功能g c u 具有控制、保护、自检测、通信等功能。1 ) 控制功能g c u 通过控制励磁电路控制继电器c , - c r 、发电机主接触器g b 、本通道汇流条连接接触器b t b ( b u st ob u s ) 的接通或断开来控制发电机的工作和电能的输出，通过调节发电机的励磁电流，使调压点电压稳定在1 1 5 2 0 0 v ，从而实现其调压功能。2 ) 保护功能南京航空航天大学硕士学位论文对发电机、控制器、线路等的故障进行保护，根据不同的保护项目和要求，选取不同的延时时间。保护功能的项目包括过电压保护、欠电压保护、过频保护、欠频保护、输出过流保护、发电机缺相保护、差动保护。表2 1 所示为g c u各项保护功能指标。表2 1g c u 保护功能指标序号保护功能敏感形式规定的保护动作值规定的延时1 2 5 3 v5 l s三1 3 5 v( 02 3 s单相，三相过压1 1 4 5 v( 0 1 2 s1过，欠压 1 5 5 v( 00 8 2 s兰1 6 5 v5 0 0 6 4 s单相仨相欠压1 0 0 3 v5 l s4 3 0 士8 h z2 - 3 s2过频频率3欠频3 7 0 士8 i z2 3 s 丑6 0 5 0 0- - 0 5 2 3 0 0 s输出电流互感( 15 倍过载)4输出过流器副边电流1 3 4 8 1 5 0 0= 06 9 6 5 s( 2 倍过载)缺一相5发电机缺相发电机电压茎l s缺三相差动电流互感6差动保护3 0 5 a 5 0 00 0 3 01 s器副边3 ) 自检测功能g c u 自身形成一个完善的b i t e ( b u i l ti nt e s te q u i p m e n t ) 系统，检测并隔离单通道电源系统的故障，将部件故障定位到l r u ( l i n er e p l a c eu n i t ) ，其中控制器的故障定位到板级；在非易失性存储器中存储电源系统的运行信息，可存储最近的2 1 个飞行周期的记录，以各内场检修所用。所谓飞行周期是指从上电复位开始到控制器关机为止的过程。4 ) 通信功能9基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究通过1 5 5 3 b 总线实时向b p c u 传递单通道电源系统的状态，以供b p c u 进行状态判断，并由b p c u 传递到显示器上进行显示。g c u 向b p c u 传递的内容包括两部分，一部分是发电机的状态：正常工作、未工作、故障、过载、差动故障；另一部分为g c u 的状态：正常工作、未工作、故障。g c u 接受b p c u发出的发电机起动关机命令。2 3 3g c u 的工作流程当直流应急电源汇流条有电，或发电机转速升高使永磁副励磁机的电压足够高，就可以使g c u 通电工作。手动控制1 4 号发电机开关，通过b p c u 向g c u 发送“起动”命令，此时发电机转速到达起动转速时，g c u 控制发电机起动。g c u 实现控制发电机关机功能有三种情况：1 ) 自动关机当发电机减速到低于工作转速( 对应于主发电机输出频率3 7 0 h z ) 时g c u断开g c r 、g b ，发电机停止发电。2 ) 故障关机当出现跳闸保护故障时，g c u 切断g c r 、g b ，发电机停止发电。3 ) 手动关机将“发电机开关”置于“断开”位置，b p c u 检测到这一变化后通知g c u ，由g c u 切断g c r 、g b ，发电机停止发电。2 4b p c u2 4 1b p c u 的组成b p c u 由两块电源板、一块输入接口板、一块输出接口板、两块c p u 板及一块母板组成。两块c p u 板硬件相同，正常工作时，指定一块为另一块的备份。通信接口电路也集成在了c p u 板的内部。c p u 采用s m j 3 2 0 f 2 4 0 ，其内部具有1 6 k 字的f l a s he p r o m 与5 4 4 字r a m ，不需要外部扩展存储器，时钟频率为2 0 m h z 。2 4 2b p c u 实现的功能b p c u 具有控制、信号检测、自检测、通信等功能。1 0南京航空航天大学硕士学位论文1 ) 控制功能控制配电网络中几个接触器的开通和断开，保证对载机汇流条的优先供电：当四个发电通道均出现故障时，保证对应急负载供电。在地面状态时，由b p c u和接触器实现地面通电检查逻辑。b p c u 还应该控制领航，通讯员交直流仪表板及任务系统供电控制板上的指示灯来显示系统的相关状态。2 ) 信号检测功能为了对电源系统的组态进行控制，并向显示设备提供信息，b p c u 必须检测以下信号：各接触器( 除g b 外) 的接通断开状态信号( 由辅助触点提供) ；领航通讯员交直流仪表板上的开关状态( 直接由开关提供) ；空地开关信号( 由起落架提供) ；应急电源状态信号( 由应急电源提供) ；三相地面电源( 单相地面电源的电压) 。图2 2 所示为b p c u 内部的开关检测电路。图2 2 开关检测电路3 ) 自检测功能b p c u 自身形成一个完善的b i t e 系统，能完成如下任务：将控制器的故障定位到板级；在非易失性存储器中存储电源系统的运行信息，可存储最近的2 1 个运行周期的记录，以备内场检修所用。4 ) 通信功能b p c u 通过总线接收g c u 传递的信息，并向g c u 发送控制命令。另外，b p c u 通过总线向显示器发送系统状态信息。其中，组态信息用于显示运行组态图；故障信息用于进行故障代码及相应故障信息的显示。b p c u 对地面三相1 1 5 v 4 0 0 h z 电源的电压、频率、相序进行监测，如果地基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究面电源满足要求，则点亮三相地面电源正常指示灯，此时就可以把地面电源接到飞机上了。如果三相地面电源超出规定的保护动作值，b p c u 就会切断已经接通的三相地面电源接触器，实现保护功能。表2 2 所示为b p c u 的保护功能指标。表2 2b p c u 的保护功能指标序号保护功能敏感形式规定的保护动作值规定的延时1 2 5 3 v5 is敏感调节点最 1 3 5 v5 0 2 3 sl过电压2 1 4 5 v! o l2 s高相电压三1 5 5 v1 0 0 8 2 s- 1 6 5 v5 00 6 4 s2欠电压晟低相电压1 0 0 a ：3 v5 l s3过频4 3 0 a ：8 h z频率2 5 ls4欠频3 7 0 & - 8 h z5缺相电压缺一相( 1 s6相序错误相序相序错误不接通2 5 本章小结本章对测试对象( u u t ) 的基本组成、功能进行了简要的介绍，给出了二者的保护功能指标。1 2南京航空航天大学硕士学位论文3 1 引言第三章飞机电源自动测试系统本章研究了组建自动测试系统的硬件平台，重点介绍了自动测试系统的总体结构，p c i 总线、r s2 3 2 总线的基本原理。3 2 自动测试系统的总体结构3 2 1 开环测试方案对g c u 、b p c u 开环测试可由图3 1 所示的自动测试设备来完成。该方案由4 台g c u 、一台b p c u 、模拟网络、直流电源及电源显示器组成。在该方案中，各部分所起的作用如下所示：1 ) 直流电源：模拟直流汇流条电压，可调范围为1 8 3 6 v ；2 ) 单相可编程交流电源：模拟单相地面电源；3 ) 1 4 号共四台三相可编程交流电源：模拟四台交流发电机，频率可调范围为3 0 0 5 0 0 h z ；4 ) 5 号三相可编程交流电源：模拟三相地面电源；5 ) 6 号三相可编程交流电源：模拟发电机的转速；6 ) 模拟网络：由继电器组成，模拟飞机电源网络，并提供各个接触器的状态信号；7 ) g c u l 4 ：和相应的程控电源一起构成机上四通道系统，并通过总线将信息传送至b p c u ；8 ) 测控计算机：根据预定的要求对可编程交流电源的各参数进行调节，使得g c u 、b p c u 完成相应的动作、数据处理及测试结果打印。当检测发电机控制器时，取下4 号g c u ，换上待测的g c u ；当检测汇流条功率控制器时，取下b p c u ，换上待测的b p c u 。对g c u ，本方案完成的测试任务如下：1 ) 保护功能测试指标与闭环时一样。2 ) 通信测试基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究通过模拟显示器上的内容判断1 5 5 3 b 通信是否正常。3 ) 其它测试包括发电机开关检测、转速检测等。对b p c u ，本方案能够完成控制功能测试，检测功能测试，通信功能测试等内容。图3 1g c u 、b p c u 开环测试设备总体结构框图3 2 2 闭环测试方案在开环测试方案中存在着很多不足之处，首先是对程控电源的调节问题，程控电源在本方案中起的作用是模拟交流发电机的状态，如果程控电源的输出和给定值不符，就会造成测试结果的偏差。其次，对于保护时间的计算也比较1 4南京航空航天大学硕士学位论文麻烦，测试报告不能自动生成，降低了测试的速度，整体性能不是很好。考虑到这些问题，我们可以通过数据采集板卡采集程控电源的输出，把对程控电源的开环调节变成闭环调节，并且自动生成测试报告。这就降低了测试的时间，提高了测试的准确性与可靠性。图3 2 所示为自动测试设备信号源节选图。“ ”h4i c jq lli 芑当l ，ol”7 t ”，v ，；紫；瓣黔广e 、上t o * 、r 褪、卜一、t 一逝心一抖、一j 扎蛴一一_ 二r 斗、一：二避卞l 一坠鹭、二产卜二科、1 、h _ _ _图3 2 自动测试设各信号源节选图在这一方案中，我们用一台三相程控电源来模拟交流发电机和地面电源，通过控制开关网络的通断，自动完成对g c u 和b p c u 的测试，这就构建了一个针对g c u 和b p c u 的自动测试系统。由于不能对三相程控电源的单独一相进行基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究控制，所以，如果要进行单相过欠压测试还必须借助于变压器。这是本自动测试系统需要进一步改进的地方。3 2 3 部分保护功能测试方案i ) a 相过欠压保护功能测试图3 3 所示是对g c u 进行过欠压、过，欠频、缺相保护功能测试时需要控制的一些开关。图3 3 部分功能测试所需控制开关对g c u 进行a 相过欠压保护功能测试时需要对开关k s 4 、k s l 0 、k s ll进行控制。具体流程如图3 4 所示。由于自动测试系统可以计算出g c u 的保护时间，所以，电毫秒表可以从流程中去除。g c u 的b 、c 两相过欠压保护功能1 6南京航空航天大学硕士学位论文测试与a 相基本类似，只要把k s 4 分别置于对应相即可。把对k s 4 的控制变为对k s 7 的控制就能实现对g c u 三相同时过欠压的保护功能测试。g c u 三相同时过欠压保护功能测试时，可以取消变压器t r l ，由测控计算机控制程控电源产生相应的过欠压信号。l 闭台k s l o 、k s i ik s 4 酐a调节变压嚣t r l 使电压表上的电压达到顿故上【断开 k s l l k s 4 置于空l上控制器复位厂面再熹矿0观察电毫秒表读数图3 4a 相过欠压测试开关控制流程2 ) 过欠频保护功能测试g c u 过欠频保护功能测试的流程为：控制k s 7 闭合一调节程控电源频率，找到保护点一调节程控电源频率为4 0 0 h z - - - 调节程控电源频率超出或低于保护点频率1 0 h z - - - 观察电毫秒表读数。3 ) 缺相测试如果进行缺相测试，只需把k s 4 置于所缺相即可，然后观察电毫秒表读数；如果是缺三相，则需要控制k s 7 闭合，使进入g c u 的三相电压全为0 ，观察电毫秒表读数即得g c u 缺相保护的延时时间。3 3 测控计算机本自动测试系统采用的测控计算机为普通的带有p c i 插槽的个人计算机。数据采集卡插入p c i 插槽再配上外部的信号调理电路，即构成了一个数据采集系统。3 3 1p c i 总线概述基于虚拟仪器的飞机电源系统自动测试技术研究从体系结构上看，计算机总线可以被分为系统内存总线和主机i o 总线。系统内存总线是中央处理器c p u 、高速缓存c a c h e 及主存的公共通道，主机i o总线是指速度相对较慢的各种i o 设备的公共通道。系统内存总线和主机i o 总线之间通过某种形式的桥连接在一起。p c i 、p c i x 、p c ie x p r e s s 都属于主机i o总线。本文研究的自动测试系统采用的是基于p c i 总线的数据采集卡。图3 5 所示为p c i 的系统结构图。图3 5p c i 系统结构图p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c ts p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 总线的概念是i n t e l 公司于1 9 9 1 年提出的。1 9 9 3 年，i n t e l 与i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、d e c 等1 0 0 多家公司联合推出了p c i 总线标准。p c i 总线也称为外部设备互联总线，支持6