熊翔，王永興，畢澤宇，李嵐松

(大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

隨著飛機(jī)動力系統(tǒng)的更換和娛樂、多媒體設(shè)備增多，飛機(jī)用電猛增，對航空電力系統(tǒng)要求也更高。航空電氣系統(tǒng)日趨復(fù)雜，其安全問題也受到了更高的關(guān)注和重視[1]。航空電纜直徑小、絕緣層薄，然而其長期工作于高溫、高輻射、高振動的復(fù)雜環(huán)境下，很容易逐漸老化產(chǎn)生細(xì)小裂紋。振動、高溫、線路老化等因素容易引發(fā)故障電弧[2]。故障電弧具有很高的能量，實(shí)踐證明，僅2 A的電弧電流引起的溫度即可高達(dá)2 000 ℃～4 000 ℃[3-5]，容易引發(fā)火災(zāi)，造成機(jī)毀人亡。飛機(jī)配電中一般使用熱保護(hù)斷路器(Thermal Circuit Breaker, TCB)、固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)等對線路進(jìn)行保護(hù)。TCB和SSPC能有效的避免過流和短路故障，但由于線路老化、松動等引起的串聯(lián)電弧故障卻不能由TCB和SSPC來保護(hù)，因?yàn)楣收想娀?，尤其是串?lián)故障電弧電流比額定電流略小，達(dá)不到熱保護(hù)曲線。此外，航空電源電壓為115 V/400 Hz，電弧燃弧時(shí)間短，且電弧故障的發(fā)生也沒有規(guī)律性，不容易檢測。因此，全面提高飛機(jī)電線的安全性，除了現(xiàn)有的熱保護(hù)裝置外，還需要對故障電弧進(jìn)行防護(hù)。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對故障電弧進(jìn)行研究，并取得了一定研究成果。由于故障電弧發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)的隨機(jī)性與不確定性，目前，絕大部分均是通過檢測線路電流的方法檢測故障電弧，如小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法[6]、EMD的檢測方法[2]、分形維數(shù)與支持向量機(jī)的檢測方法[3]等。因此，在對航空故障電弧的研究中，故障電弧特性的采集尤為重要。目前，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)均是通過示波器采集，實(shí)驗(yàn)過程較繁瑣，非常不利于故障電弧診斷研究，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW與DSP的航空故障電弧實(shí)驗(yàn)裝置。采用LabVIEW虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面顯示、數(shù)據(jù)保存，采用DSP控制器實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，采用串行通信實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通信。最后，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性與便捷性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

航空故障電弧發(fā)生裝置主要由上位機(jī)、下位機(jī)、實(shí)驗(yàn)平臺三部分組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。其中，上位機(jī)顯示界面由LabVIEW15軟件開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)航空故障電弧電壓電流數(shù)據(jù)的接收、波形顯示、保存以及對下位機(jī)的控制；下位機(jī)硬件平臺由DSP控制器及其外圍硬件電路組成，用于對航空故障電弧的采集、電弧發(fā)生器的運(yùn)動控制、LCD界面顯示以及與上位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)傳送等；實(shí)驗(yàn)平臺由航空地面靜變電源、電弧發(fā)生器、負(fù)載等組成，模擬航空115 V/400 Hz電氣系統(tǒng)，電弧發(fā)生器觸頭移動引發(fā)不同類型航空串聯(lián)電弧。

圖1 航空故障電弧發(fā)生裝置系統(tǒng)總體框圖

2 DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相比于市電中220 V/50 Hz，航空中采用115 V/400 Hz，頻率更高，電弧電壓與電流中高頻分量更多，對數(shù)據(jù)采集的采樣率與采樣精度要求更高。研制新型的故障電弧發(fā)生裝置需滿足以下幾個(gè)條件：

(1)要有足夠的采樣率；

(2)電壓電流信號準(zhǔn)確不失真；

(3)系統(tǒng)響應(yīng)迅速，防止電弧引發(fā)后拉弧熄滅；

(4)觸頭間距控制精確。

2.1 航空故障電弧采集電路

2.1.1 航空故障電弧特性分析

航空故障電弧作為電弧的一種，具有交流電弧的普遍特征：

(1)電弧的電流和電壓伴有高頻噪聲；

(2)故障電弧有電壓降；

(3)電弧電流上升率通常大于正常電流。在每半個(gè)周期中，電流過零前電弧熄滅，電流過零后再次點(diǎn)燃，零電流段每個(gè)半周期一次，這些區(qū)域被稱為零休區(qū)間。

由于航空電氣系統(tǒng)的特殊性，航空故障電弧也有其特殊性，主要表現(xiàn)在以下方面[7]：

(1)電弧頻率為航空電源頻率400 Hz，不同于電力系統(tǒng)中的工頻50 Hz 或60 Hz；

(2)航空電纜的絕緣性能更好，航空故障電弧的持續(xù)時(shí)間更短，電弧更加難以捕捉；

(3)航空電氣環(huán)境復(fù)雜，配電空間狹小，電磁干擾大，故障電弧波形更為復(fù)雜。

航空故障電弧的復(fù)雜性，對故障電弧發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)提出更高的要求。

2.1.2 航空故障電弧采集電路設(shè)計(jì)

故障電弧特性采集電路中，先通過精密交流電流互感器TA1626-2與精密微型電流型電壓互感器ZMPT101B進(jìn)行信號隔離采樣，將高壓大電流信號轉(zhuǎn)換成小電壓信號，避免高頻率、大功率的電弧信號對采集電路的影響。同時(shí)，與互感器和觸頭連接的導(dǎo)線均采用金屬網(wǎng)包裹的屏蔽線，避免電弧信號的電磁干擾。后續(xù)經(jīng)過二階低通有源濾波電路、加法電路、電壓跟隨器、保護(hù)電路等將采集的電弧電壓電流信號轉(zhuǎn)換成DSP的ADC輸入要求的0～3 V之間，輸送至控制器ADC引腳。實(shí)際低通濾波電路截止頻率為fp≈3 000 Hz，有效抑制高頻噪聲。故障電弧采集電路框圖如圖2所示。

圖2 故障電弧采集電路框圖

2.2 硬件系統(tǒng)

對于航空故障電弧發(fā)生裝置，主要完成電弧特性采集、電弧發(fā)生器步進(jìn)電機(jī)移動控制、觸頭間距控制、模式顯示與上位機(jī)通信等功能。控制器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的核心，本系統(tǒng)下位機(jī)控制器選用某公司的高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320F28335，時(shí)鐘頻率達(dá)到150 MHz，非常適合實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字信號處理[8-9]，滿足400 Hz電弧發(fā)生裝置信號采集與系統(tǒng)控制。硬件系統(tǒng)主要由控制器、信號調(diào)理電路、串行通信電路、電機(jī)控制電路、電源電路、LCD顯示與按鍵電路等組成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過LCD12864實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況。采用35BYG005四線兩相步進(jìn)電機(jī)精確控制觸頭移動，電機(jī)步距角1.8°，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)單雙八拍運(yùn)行，400拍運(yùn)行一圈。螺桿齒輪距為1.75 mm，故電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，觸頭移動1.75 mm，電機(jī)每步精度達(dá)1.75 mm/400=4.375 μm。使用電壓/電流互感器隔離，采集電弧特性，將電弧電壓電流信號縮放，再經(jīng)過精密運(yùn)算放大器OP07搭建的二階有源濾波電路、放大電路、加法電路，將信號轉(zhuǎn)換成0～3 V范圍內(nèi)。最后，經(jīng)過電壓跟隨器、保護(hù)電路輸入至控制器ADC引腳。

2.3 軟件系統(tǒng)

控制器軟件采用C語言在代碼調(diào)試器CCS 6.0軟件中編寫，程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，中斷開啟等待中斷事件，系統(tǒng)運(yùn)行模式選擇。

圖4 程序流程框圖

當(dāng)運(yùn)行在手動模式時(shí)，主程序不斷檢測電機(jī)控制按鍵，控制電機(jī)運(yùn)行，觸頭按控制指令移動，引發(fā)電弧，并通過示波器采集電弧電壓電流特性，同時(shí)在LCD12864上實(shí)時(shí)顯示觸頭間距、運(yùn)行模式等信息。

在自動控制模式中，在上位機(jī)前面板設(shè)置信號采樣率、觸頭移動間距、電機(jī)運(yùn)行情況等，下位機(jī)通過串口中斷接受上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，控制觸頭移動，引發(fā)電弧。然后，主程序進(jìn)行電壓電流信號采集，通過電壓/電流互感器實(shí)現(xiàn)航空實(shí)驗(yàn)平臺電弧特性實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理，由DSP自帶12位ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，串口發(fā)送采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)至上位機(jī)。數(shù)據(jù)采用先采集后發(fā)送的方式傳送給上位機(jī)，有效解決了串口傳送速率較慢問題，上位機(jī)波形顯示能達(dá)到360 kHz，串行通信波特率為93 750 bit/s。通過定時(shí)器中斷精確步進(jìn)電機(jī)每步延遲時(shí)間、液晶刷新頻率等。

3 LabVIEW上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)管理軟件采用某國外公司研制的LabVIEW15。相比于C和BASIC等基于文本的語言代碼編寫，LabVIEW使用一種圖形化編程語言-G語言，采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，有豐富的函數(shù)、數(shù)值分析、信號處理和設(shè)備驅(qū)動等功能，集圖形化開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體，適用于測量、控制儀器或系統(tǒng)的組件和控制，是一種適宜的上位機(jī)軟件開發(fā)工具[10]。

上位機(jī)主要任務(wù)是向下位機(jī)發(fā)送觸頭間距、采樣率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送的電弧電壓電流特性數(shù)據(jù)，并進(jìn)行波形顯示，波形及電弧特性數(shù)據(jù)分別以圖片和EXCEL表格保存等，其上位機(jī)前面板和軟件模塊組成分別如圖5、圖6所示。

圖5 上位機(jī)前面板

圖6 上位機(jī)軟件模塊組成圖

3.2指令控制與數(shù)據(jù)接收

實(shí)驗(yàn)裝置在測控結(jié)構(gòu)上采用上下位機(jī)方式，通信采用RS3232方式與上位機(jī)串行通信，通信設(shè)置與下位機(jī)相同，波特率93 750 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。

為提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，指令控制采用按鍵值修改后才發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，盡量能實(shí)現(xiàn)采樣率、觸頭間距、電機(jī)轉(zhuǎn)速共同控制。而串口通信最多為8位數(shù)據(jù)位，能實(shí)現(xiàn)0至255數(shù)據(jù)發(fā)送接受，若采用十進(jìn)制編碼方式，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多種控制的要求。本控制系統(tǒng)采用電機(jī)轉(zhuǎn)速、采樣率、觸頭間距不同編碼的方式，分別采用九進(jìn)制、五進(jìn)制、五進(jìn)制編碼。設(shè)下位機(jī)接收數(shù)據(jù)為y，觸頭間距指令為x1(0≤x1≤4)，采樣頻率指令為x2(0≤x2≤4)，電機(jī)速度指令為x3(0≤x3≤8)，則輸出指令編碼為：

y=x1×45+x2×9+x3

數(shù)據(jù)接收采用下位機(jī)不斷發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)不斷接收數(shù)據(jù)并波形圖實(shí)時(shí)顯示方式。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用兩路12位ADC，電壓電流數(shù)據(jù)均對應(yīng)12位二進(jìn)制數(shù)，采樣精度為3/(2^12)=3/4 096=0.000 732 3 V。而串口通信一次傳送數(shù)據(jù)最多為8位，任一時(shí)刻電弧電壓電流特性需要串口發(fā)送四次才能完成。實(shí)際控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)擴(kuò)大1 000倍，先發(fā)送高兩位，再發(fā)送低兩位，實(shí)際上位機(jī)接收數(shù)據(jù)精度為0.001 V。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，先啟動下位機(jī)至自動模式，再按下接受數(shù)據(jù)按鈕，從起始位置開始，連續(xù)四個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)時(shí)刻電壓電流值，并進(jìn)行解碼，實(shí)時(shí)顯示，上位機(jī)解碼顯示程序如圖7所示。最后，在上位機(jī)前面板，在波形圖中找到需要波形，點(diǎn)擊保存按鈕，波形圖中數(shù)據(jù)以圖片和EXCEL文本方式、以系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間為文件夾名稱，保存在預(yù)設(shè)文件路徑下，完成一次數(shù)據(jù)采集。

圖7 上位機(jī)解碼顯示程序

4 電弧發(fā)生裝置實(shí)驗(yàn)

針對航空應(yīng)用場合，采用航空地面靜變電源作為模擬電源，模擬產(chǎn)生航空115 V、400 Hz交流電，用新研制實(shí)驗(yàn)裝置在自動模式下分別采集阻值為10 Ω的阻性負(fù)載和10 Ω電阻與固態(tài)調(diào)壓器串聯(lián)構(gòu)成的非線性負(fù)載電弧電壓電流波形如圖8、圖9所示。從圖8中可以看出，電弧電壓電流波形頻率為400 Hz，含有高頻噪聲，波形具有明顯的零休期，電流幅值為14.6 A，比正常情況略小，電弧電壓呈“馬鞍形”。從圖9非線性負(fù)載波形可以看出，固態(tài)調(diào)壓器中輸出晶閘管的關(guān)斷作用使得非線性負(fù)載波形畸變更嚴(yán)重，零休時(shí)間更長，實(shí)驗(yàn)裝置采集的波形很好的保留了非線性負(fù)載電弧高頻特性。新研制的實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)對航空故障電弧觸發(fā)的自動控制，準(zhǔn)確完成對電弧電壓電流特性的有效采集，為故障電弧的特征提取積累了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 阻性負(fù)載電弧波形的采集

圖9 非線性負(fù)載電弧波形的采集

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的航空故障電弧實(shí)驗(yàn)裝置，采用DSP自帶ADC采集數(shù)據(jù)、DSP串口發(fā)送數(shù)據(jù)、LabVIEW接收數(shù)據(jù)，成本低，人機(jī)界面友好，操作簡單，交互能力強(qiáng)。同時(shí)具有電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、采樣率調(diào)節(jié)、觸頭間距控制、電弧電壓電流特性采集顯示、數(shù)據(jù)保存等功能。另外，采集的數(shù)據(jù)直接以EXCEL表格的形式保存，有利于電弧特性數(shù)據(jù)的后續(xù)分析與處理。