李咸靜， 李仰軍， 劉漢琦， 褚星明, 楊康華， 王 高

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 北京自動化控制設(shè)備研究所， 北京 100074)

0 引 言

彈上電源變換裝置為全彈各用電部件提供電氣能源， 它的性能和可靠性直接影響著全彈的性能和戰(zhàn)斗任務(wù)的完成， 所以檢測電源變換裝置的穩(wěn)定性尤為重要. 在國防軍事生產(chǎn)中， 對于彈上電源變換裝置這種批量生產(chǎn)且對精度、 穩(wěn)定性要求極高的產(chǎn)品， 需要對其設(shè)計出配套的高精度高效率的測試設(shè)備[1]. 傳統(tǒng)彈上電源變換裝置檢測設(shè)備， 其測量精度和可靠性均比較低， 且測試步驟繁瑣， 維修困難， 測試周期長， 需要人工實時監(jiān)測， 已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的測試需求[2].

本研究設(shè)計了某型彈上電源變換裝置檢測設(shè)備， 該設(shè)備具有以下特點： 基于PC/104總線的設(shè)計思想， 充分利用數(shù)據(jù)采集卡高頻率數(shù)據(jù)采集功能和計算機的強大處理能力； 檢測設(shè)備擴展性好， 有4個測試通道， 一次測試最多可以連接4套產(chǎn)品， 提高了測試產(chǎn)品的數(shù)量;檢測設(shè)備一共使用了 12個 220 V接觸器來進行4套產(chǎn)品的交直流切換(8個控制交流切換， 4個控制直流切換). 測試過程分工明確， 出現(xiàn)問題容易查找， 檢修便利;在電路設(shè)計中和信號傳輸通道中均設(shè)計了冗余來滿足測試的不同需求； 對模擬量、 數(shù)字量電路板、 電纜線以及連接口設(shè)計自檢設(shè)備， 具有自檢功能. 軟件采用Labwindows/CVI模塊化設(shè)計方式， 具備開放性、 易擴展的特點， 從而使得軟件易于維護、 修改， 并且可應(yīng)用于多種任務(wù). 其中包含了GPIB, RS 232, VXI 總線、 數(shù)據(jù)采集和分析庫， 同時可以詳細記錄測試、 試驗的相關(guān)信息； 若出現(xiàn)異常， 設(shè)備具有報警功能， 且可將異常信息發(fā)送至工作人員移動設(shè)備， 減輕了工作人員的工作量.

1 電源變換裝置工作原理

某型彈上電源變換裝置自動檢測設(shè)備采用中頻電源進行供電. 中頻發(fā)電機具有體積小、 供電性能高、 便于攜帶等優(yōu)點， 可以在野外作業(yè)時提供良好的電源[3]. 然而， 中頻發(fā)電機輸出的是三相交流電， 不能被一般用電設(shè)備直接使用， 所以根據(jù)測試要求需要由電源變換裝置將發(fā)電機輸出的兩組三相交流電中的一組變換為兩相交流電壓(U3與勵磁電壓)， 另一組變換為兩路直流電壓(U1和U2). 根據(jù)三相交流電壓幅值和相位之間的關(guān)系， 將三相電壓變換到兩相靜止坐標系(α-β坐標系)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系(d-q坐標系)中進行處理， 特別是在d-q坐標系中可以將三相交流電壓變換為兩路直流電壓.

假設(shè)三相交流電壓為

(1)

式中：U表示電壓幅值；ω為電壓角頻率. 按照α-β坐標變換原理， 可將式(1)中的三相電壓轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標系中， 其形式為

(2)

式中：uα,uβ是以角頻率ω旋轉(zhuǎn)的交流電壓， 將uα,uβ進一步變換到d-q坐標系.d-q坐標變換公式為

(3)

式中：θ為d軸與α軸之間的夾角；ud，uq為uα,uβ在d軸和q軸上的分量. 將ud,uq寫成符號表達式為

經(jīng)過上述原理， 將中頻電源的一組三相交流電壓變換為兩路直流電壓U1，U2. 在整個電源變換裝置自動檢測設(shè)備中， 需要調(diào)節(jié)負載器的大小， 使通過負載器的電流分別為10, 20, 30, 40， 50 A時采集U1，U2，U3， 勵磁電壓等參數(shù)， 對電源變換裝置進行穩(wěn)定性分析.

2 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

彈上電源變換裝置檢測設(shè)備用于對某型彈上電源變換裝置進行自動/手動檢測， 測試設(shè)備能夠?qū)Ξa(chǎn)品在模擬工作狀態(tài)下進行檢測， 可以對被測設(shè)備進行單步測試、 自動測試和定時測試[4-5]. 設(shè)備測試具有一拖四連接功能通道， 即一次最多可以連接4套產(chǎn)品進行測試.

測試設(shè)備結(jié)構(gòu)采用機柜式設(shè)計， 其中包括產(chǎn)品測控單元、 切換單元、 負載單元、 中頻電源、 上位機等[6]. 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計如圖 1 所示.

圖 1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計 Fig.1 Overall design of detection system

產(chǎn)品切換單元主要配合測試設(shè)備實現(xiàn)功能測試， 可以一次連接四路產(chǎn)品順序測試. 測試單元用于手動/自動測試控制， 集成了模擬數(shù)據(jù)采集、 開關(guān)量控制、 數(shù)字量輸入/輸出、 信號采集、 調(diào)理和計算等單元； 供電單元包括產(chǎn)品供電和中頻交流電源[7].

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

檢測設(shè)備工作原理如圖 2 所示.

圖 2 檢測設(shè)備工作原理圖 Fig.2 Schematic diagram of testing equipment

系統(tǒng)測試根據(jù)功能應(yīng)用主要分為自動測試、 單步測試和手動測試. 在自動測試工作狀態(tài)下， 當一套產(chǎn)品測試結(jié)束， 自動發(fā)出指令控制產(chǎn)品切換， 具體實現(xiàn)過程為工控機通過Labwindows/CVI軟件給小繼電器發(fā)送指令， 通過控制220 V接觸器來實現(xiàn)測試線路的切換， 并控制DO和AD采集產(chǎn)品輸出的數(shù)字/模擬信號， 分析數(shù)據(jù)按照判據(jù)指標給出測試項目結(jié)果. 在單步測試工作狀態(tài)下， 當一套產(chǎn)品測試結(jié)束， 測試設(shè)備自動完成本項測試項目并記錄測試結(jié)果； 在手動測試工作狀態(tài)下， 人工操作測試軟件虛擬手動界面發(fā)送指令， 觀察輸出結(jié)果數(shù)據(jù).

3.1 模擬卡采集原理

在硬件電路中， 選用的A/D采集卡的量程設(shè)置為-10～10 V， 而所測電壓超過了A/D采集卡的量程， 因此為了保護電路， 對所測電壓按倍數(shù)進行了縮減測量， 即直流電壓縮減4倍， 交流電壓縮減6倍， 同時在軟件編程中乘以縮減的倍數(shù)來保證所測電壓的準確性.

3.2 單路測試原理

檢測設(shè)備中的供電單元和電源切換單元都由AC 220 V進行供電， 其中供電單元為測試提供24，28.5, 32 V的模擬電壓信號. 切換單元中 24 V 電源模塊則是為測控單元以及切換單元中的繼電器、 電路板以及風(fēng)扇進行供電. 單路測試原理如圖 3 所示， 中頻電源模擬彈上系統(tǒng)輸出兩路三相交流信號， 分別為線路1與線路2.

圖 3 單路檢測原理Fig.3 Principle of single path detection

經(jīng)過電源變換裝置后， 分別輸出至測試口1和測試口2. 測試口1為交流電壓， 代表U3， 勵磁電壓以及檢測信號等， 大小為±28.5 V， 通過調(diào)理電路板將相關(guān)信號通過PC/104存儲在計算機中； 測試口2輸出U1,U2共兩組直流電壓， 大小為28.5 V， 為電源切換箱中的2.8 Ω負載進行供電,保證負載有持續(xù)10, 20, 30, 40, 50 A的電流通過. 測試口1分別測量六路電壓Uab,Ubc,Uca,Ua1b1,Ub1c1,Uc1a1, 然后經(jīng)過單端輸入的模擬量采集卡進行數(shù)據(jù)采集； 測試口2將測試信號傳輸?shù)截撦d器分別測量U1,U2兩路電壓， 同樣經(jīng)過單端輸入的模擬量采集卡進行數(shù)據(jù)采集， 用計算機讀回. 負載器選用2.8 Ω/400 W規(guī)格的電阻. 由于負載器由多個電阻串并聯(lián)組成， 且有較大電流通過， 因此選擇合適的散熱器尤為重要.

3.3 切換控制原理

如圖 4 所示， 以線路1為例來介紹電源變換裝置自動檢測設(shè)備的控制原理.

圖 4 負載切換控制原理Fig.4 Load switching control principle

中頻電源輸出三相交流電壓后， 為了防止電壓過載， 先經(jīng)過短路保護器， 當電壓在量程內(nèi)時， 短路保護器為通路， 將其傳送到電源變換裝置中. 計算機通過控制DO口來控制小型12 V繼電器吸合， 從而控制220 V接觸器來進行四套產(chǎn)品之間的電路切換并進行測量. 電源變換裝置將輸入的中頻交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓28.5 V， 為2.8 Ω電阻供電， 負載器兩端的電壓即為要求測得的電壓U1.

線路2與線路1的工作方式相同， 均為檢測電源變換裝置的整體工作性能. 電源變換裝置檢測設(shè)備以工控機為操作平臺， 數(shù)據(jù)采集部分由PC/104總線、 模擬數(shù)字量采集卡、 光耦調(diào)理電路組成； 電路切換部分由以短路保護器、 12 V繼電器、 220 V接觸器、 1 500 W負載、 接口電路組成.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及測試結(jié)果

4.1 軟件概述

系統(tǒng)測試軟件具有對電源變換裝置進行連續(xù)自動測試、 單項自動測試、 手動測試輔助功能及測試數(shù)據(jù)記錄與分析等功能. 為使軟件界面更加合理、 簡潔、 方便， 將采用Labwindows/CVI來進行軟件的開發(fā)[8]. Labwindows/CVI在C語言的基礎(chǔ)上綜合了標準化軟件開發(fā)平臺和圖形化軟件開發(fā)平臺的優(yōu)點， 其目的是使用戶易于開發(fā)和調(diào)試虛擬儀器系統(tǒng)， 為熟悉C語言的開發(fā)人員提供了一個功能強大的軟件開發(fā)環(huán)境[9].

4.2 軟件模塊

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方式， 具備開放性好、 易擴展的特點. 模塊化的軟件具有可替換單元的功能， 增減和修改軟件模塊不會影響相鄰層次. 模塊化軟件的設(shè)計具有潛在增長性的特點， 隨著技術(shù)的進步， 只要層與層的接口關(guān)系不變， 就可以方便地對層中的單元進行替換和升級， 從而使得軟件易于維護、 修改， 并且可應(yīng)用于多種任務(wù). 本系統(tǒng)軟件基本模塊如圖 5 所示.

圖 5 軟件基本模塊Fig.5 Basic module of software

4.3 軟件設(shè)計流程

測試單元軟件主要包括自動測試模塊、 手動測試模塊、 定時(循環(huán))測試模塊、 文件操作模塊等. 軟件設(shè)計流程如圖 6 所示.

測試數(shù)據(jù)處理包含測試過程中數(shù)據(jù)的采集和判讀、 數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)導(dǎo)出. 設(shè)備測試過程中需要采集電源變換裝置返回的電壓信號和波形信號， 采集的數(shù)據(jù)在判讀前通過進行數(shù)據(jù)平滑和軟件過濾技術(shù)處理來消除信號中線路擾動和突變噪聲[10]. 根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的判讀條件， 對采集的電壓信號和波形信號進行判讀， 當檢測到異常情況時， 發(fā)出報警信號， 如遇嚴重錯誤直接切斷供電.

圖 6 測試單元軟件工作流程Fig.6 Software flow of testing unit

4.4 測試結(jié)果

電源變換裝置自動檢測設(shè)備主要是檢測其輸出電壓的穩(wěn)定性[11]. 測試設(shè)備的技術(shù)指標要求： 直流輸出電壓、 勵磁電壓應(yīng)能保持在(28.5±3) V， 交流輸入電壓在20～25 V內(nèi)連續(xù)可調(diào)， 兩組三相輸出線電壓偏差不大于0.2 V， 實測電流應(yīng)保持在負載電流±1 A.

整個測試過程中， 只有電阻發(fā)生變化，U1,U2輸出電壓保持不變， 輸出電流依次切換為10, 20, 30, 40, 50 A， 并根據(jù)測試數(shù)據(jù)來分析測試的精準度， 如表 1 所示， 結(jié)果顯示誤差較小， 滿足設(shè)計要求.

表 1 模擬量測試結(jié)果

從表 1 可得，U1,U2,U3， 勵磁在不同負載電流情況下的輸出期望(方差)分別為28.24(±0.06), 28.32 (±0.04), 28 (±0.04), 27.36(±0.13)V， 其輸出值符合理論設(shè)計要求值(28.5±3) V， 且波動范圍較小. 在不同輸出負載電流條件下，UAB,UBC,UCA與UA1B1,UB1C1,UC1A1之間的最大偏差不大于0.2 V， 且實際測量值在20～25 V之間. 實測電流I1,I2隨著負載電流的變化而變化， 而且波動值保持在-1～1 A間， 可以滿足測試需求.

基于以上分析測試結(jié)果表明， 直流輸出電壓、 勵磁電壓應(yīng)能保持在(28.5±3) V， 交流輸入電壓在20～25 V內(nèi)連續(xù)可調(diào)， 兩組三相輸出線電壓偏差不大于0.2 V， 實測電流保持在負載電流±1 A， 符合技術(shù)指標要求.

自動檢測設(shè)備采集到的交流信號采用繪制波形的方式進行顯示. 圖 7 為自動檢測設(shè)備對信號發(fā)生裝置輸出的標準正弦信號的數(shù)據(jù)采集和波形顯示.

圖 7 數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig.7 Data acquisition result

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的彈上電源變換裝置測試設(shè)備， 在測量精度與可靠性方面效率較低， 且測試操作復(fù)雜、 時間長， 無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭高效、 時間短及成本低等要求. 本文介紹了電源變換裝置自動測試設(shè)備， 通過LabWindows/CVI上位機軟件改變負載大小， 調(diào)整裝置電流輸出來檢測電源變換裝置負載能力和物理可靠性. 設(shè)備具有對電源變換裝置接口芯線的導(dǎo)通檢測、 功能檢測和自檢功能， 能實時將采集的電壓信號和波形信號分別以數(shù)字和波形形式顯示， 并給出判讀結(jié)果. 實驗結(jié)果達到了預(yù)期的效果， 在實際應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景.

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