張 佳

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077）

飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器是飛機(jī)電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 隨著多電飛機(jī)甚至全電飛機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器所承擔(dān)的作用愈發(fā)重要。飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器是控制和保護(hù)飛機(jī)電源系統(tǒng)的核心，對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作具有非常重要的作用。

飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器是飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)電源正常供電的重要環(huán)節(jié)。其主要功能是在自動(dòng)控制設(shè)備及手動(dòng)操作的協(xié)調(diào)配合下，控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路導(dǎo)通， 進(jìn)而能夠正常發(fā)電。在發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能質(zhì)量能夠滿足要求的情況下，控制器控制發(fā)電機(jī)向負(fù)載設(shè)備供電；在飛機(jī)供電系統(tǒng)中某部分出現(xiàn)故障時(shí)， 控制器能夠隔離故障部分，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行重構(gòu)，從而保證重要設(shè)備的不間斷供電[1]。

在現(xiàn)代飛機(jī)上，發(fā)電機(jī)的調(diào)壓、控制以及電源系統(tǒng)的保護(hù)裝置常組合在一起，構(gòu)成發(fā)電機(jī)控制器GCU（generator control unit），以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電和供電系統(tǒng)的控制。鑒于飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器的關(guān)鍵作用，其裝備前的地面測(cè)試尤為重要。在此，以某型飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器為對(duì)象（如圖1所示），有針對(duì)性地設(shè)計(jì)其地面測(cè)試系統(tǒng)，并利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

圖1 飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器Fig.1 Aircraft generator control unit

1 飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器工作原理

飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器是具備部分環(huán)節(jié)控制功能的智能設(shè)備，其在功能和結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)立性，不受供電系統(tǒng)處理機(jī)的控制，僅向供電系統(tǒng)處理機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)通道的工作情況。發(fā)電機(jī)控制器的功能包括對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓、發(fā)電通道的控制及保護(hù)。發(fā)電機(jī)控制器從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看是一種數(shù)字式設(shè)備[2]。其能夠進(jìn)行啟動(dòng)機(jī)內(nèi)自測(cè)試BIT （built in test）、運(yùn)行BIT 和維護(hù)BIT， 還能夠?qū)Πl(fā)電通道進(jìn)行故障判斷以及對(duì)通道狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行傳輸。

總而言之，飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器主要有以下3 個(gè)功能：①對(duì)發(fā)電機(jī)/變換器通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)并向供電系統(tǒng)處理機(jī)發(fā)送監(jiān)測(cè)報(bào)告；②控制發(fā)電機(jī)工作在同步及并聯(lián)狀態(tài)；③監(jiān)控差動(dòng)保護(hù)回路從而保護(hù)饋電線故障不會(huì)影響到發(fā)電通道[3]。

在飛機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)電和供電環(huán)節(jié)中，控制對(duì)象主要有5 個(gè)：

1）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制繼電器GCR（generator control relay）——其能夠控制無刷交流發(fā)電機(jī)內(nèi)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電路的接通或斷開，以判斷發(fā)電機(jī)是否進(jìn)行發(fā)電。

2）發(fā)電機(jī)電路斷路器GCB（generator circuit breaker）——控制發(fā)電機(jī)與負(fù)載匯流條的接通或斷開，判斷發(fā)電機(jī)電能輸出與否。

3）匯流條聯(lián)接斷路器BTB（bus tie breaker）——控制各臺(tái)發(fā)電機(jī)匯流條與聯(lián)接匯流條（或同步匯流條）的接通或斷開，也就是判斷各套電源是否并聯(lián)供電或發(fā)電機(jī)匯流條之間是否交互供電。

4）外電源接觸器EPC（external power contractor）——控制外電源與機(jī)上聯(lián)接匯流條的通斷，即決定地面電源是否向機(jī)上供電。飛機(jī)在地面作業(yè)或啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可由地面電源通過機(jī)上的地面電源插座向機(jī)上負(fù)載供電。

5）輔助電源斷路器APB（auxiliary power breaker）——大型飛機(jī)上大多備有輔助動(dòng)力裝置，由其傳動(dòng)的發(fā)電機(jī)可以在地面或空中向機(jī)上負(fù)載供電[4]。

除以上控制對(duì)象外，在電源配電系統(tǒng)中還有大量的接觸器、繼電器需要進(jìn)行通、斷控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)載的供電和出現(xiàn)故障時(shí)的電網(wǎng)重構(gòu)。該型飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器為以微處理器為核心的控制器，其具有體積小、重量輕、可靠性高、消耗功率小、工作速度快等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大中型飛機(jī)的電源系統(tǒng)上。飛機(jī)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)電源系統(tǒng)的智能化控制，提高了電源系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

2 建立測(cè)試系統(tǒng)的意義

飛機(jī)電源系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)發(fā)生各種不同的故障。比如系統(tǒng)構(gòu)成模塊的故障、供電線路的故障等。故障的出現(xiàn)形式也多種多樣，如過/欠壓、短/斷路、過/欠頻及電壓不平衡、不穩(wěn)定等。對(duì)出現(xiàn)的故障應(yīng)盡快采取對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行保護(hù)，否則將出現(xiàn)供電異常，甚至導(dǎo)致火災(zāi)等嚴(yán)重情況[5]。

鑒于故障類型繁多，所以應(yīng)依據(jù)每種故障對(duì)供電系統(tǒng)造成的危害程度采用不同的保護(hù)措施。比如：在某些情況下故障應(yīng)斷開BTB，使不同供電通道相互隔離；有的故障需要同時(shí)斷開GCR 和GCB，使發(fā)電機(jī)滅磁并與電網(wǎng)隔離；而有些故障只需要斷開發(fā)電機(jī)的輸出，無須斷開GCR。此外，不同故障對(duì)電源設(shè)備或負(fù)載造成的危害程度也不一樣，為了既不造成誤動(dòng)作，又不會(huì)損壞設(shè)備，故障保護(hù)電路一般都要設(shè)置一定的延時(shí)。

在飛機(jī)上單臺(tái)發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)中的故障保護(hù)項(xiàng)目主要包括：

過電壓OV（over voltage）；

欠壓UV（under voltage）；

饋線及發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路DP（differential protection）；

過載OL（over load）；

過電流OC（over current）；

過頻OF（over frequency）；

欠頻UF（under frequency）；

欠速US（under speed）；

永磁發(fā)電機(jī)PMG（permanent magnetic generator）短路；

旋轉(zhuǎn)整流器RR（rotating rectifier）短路；

電壓不穩(wěn)定SP（stability protection）；

電壓不平衡或開相OP（open phase）保護(hù)；等。

在多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電系統(tǒng)中，還設(shè)有過勵(lì)磁OE（over exciting）、欠勵(lì)磁UE（under exciting）等保護(hù)項(xiàng)目。

對(duì)于具體的某種機(jī)型來說，以上的保護(hù)項(xiàng)目不一定都需要，具體應(yīng)根據(jù)飛機(jī)的用途及性能、產(chǎn)生故障的可能及危害、 供電質(zhì)量要求等因素決定取舍。在此所針對(duì)的飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器測(cè)試設(shè)計(jì)的待測(cè)故障類型有過壓、欠壓、過頻、欠頻，以及該故障的故障保護(hù)點(diǎn)測(cè)試。

3 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制器測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試目標(biāo)和過程是：將控制器與發(fā)電機(jī)脫開，利用測(cè)試系統(tǒng)的電源模擬發(fā)電機(jī)輸出和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓輸出，人為設(shè)置各種故障信號(hào)，施加于控制器的輸入回路，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器的過壓、過流、欠頻等保護(hù)功能檢查，以考核控制器的各種保護(hù)功能是否符合技術(shù)規(guī)范的要求。

根據(jù)控制器測(cè)試的要求， 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使測(cè)試系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，各功能模塊應(yīng)具有獨(dú)立架構(gòu)，互不影響，各組成部分設(shè)計(jì)應(yīng)符合人機(jī)工程原理，操作方便、可靠，可維護(hù)性強(qiáng)，外觀整潔美觀，環(huán)境污染少。根據(jù)測(cè)試需要，依據(jù)不同的測(cè)試功能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。該測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備的特點(diǎn)有：①模塊化結(jié)構(gòu)，集成度高，可擴(kuò)展性好；②獨(dú)立化設(shè)計(jì)，各功能模塊功能獨(dú)立，互不影響，便于測(cè)試及維護(hù)；③軟件人機(jī)交互界面友好、美觀，操作簡(jiǎn)便，使用方便；④數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)，支持在線處理和分析。

總體來看，測(cè)試系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩大部分。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)硬件采用PXI 及PXI Express 總線作為板卡數(shù)據(jù)交換用總線，測(cè)試系統(tǒng)工控機(jī)選用美國國家儀器（NI）公司的PXIe-8840 控制器結(jié)合PXIe-1082 機(jī)箱。

PXIe-8840 控制器是一款高性能的兼容PXIExpress 和CampactPCI Express 系統(tǒng)的嵌入式控制器，其以高集成度封裝在一個(gè)模塊上集成了標(biāo)準(zhǔn)的I/O 特性，是一個(gè)3U 規(guī)格大小的模塊化電腦。PXIe-8840 控制器具有一顆Intel? CoreTMi5 4400E 的雙核2.7 GHz 處理器，一塊250 GB 的硬盤驅(qū)動(dòng)器。此外還具有基于PCI 總線的GPIB 控制器和Express-Card/34 擴(kuò)展插槽。PXIe-8840 控制器的標(biāo)準(zhǔn)I/O 接口包括：2 個(gè)DisplayPort 視頻端 口，1 個(gè)RS-232 串口，4 個(gè)高速USB 端口，2 個(gè)超速USB 端口，2 個(gè)以太網(wǎng)口，1 個(gè)復(fù)位按鈕和1 個(gè)PXI 觸發(fā)端口。

NI PXIe-1082 機(jī)箱是結(jié)合了高性能8 插槽的PXIe 背板， 具有高輸出功率和模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，能夠在廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用。PXIe-1082 機(jī)箱具有很高的可維修性和很短的平均維修時(shí)間MTTR（mean time to repair）， 其完全兼容PXI-5 PXI Express 硬件標(biāo)準(zhǔn)，提供先進(jìn)的計(jì)時(shí)和同步特性。

PXIe-1082 機(jī)箱每個(gè)PXIe 插槽的傳輸帶寬高達(dá)2 GB/s，每個(gè)PXIe 通道能夠提供38 W 的功率，內(nèi)部10 MHz/100 MHz 的參考時(shí)鐘具有低至±25×10-4%的頻率精度。該機(jī)箱完全兼容PXI 和CompactPCI硬件特性。

對(duì)飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要利用測(cè)試系統(tǒng)的電源模擬發(fā)電機(jī)輸出和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓輸出，人為設(shè)置各種故障信號(hào)，施加于控制器的輸入回路。為生成特定的故障信號(hào)，需要采用程控電源，通過工控機(jī)輸出命令控制程控電源輸出命令要求的故障信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與程控電源之間的通信，采用RS-485 總線傳輸命令。

在程控電源端， 選用艾諾儀器公司的AN17 系列中頻靜變電源，AN17 系列中頻靜變電源以16 位MCU 為核心， 由電子電力元件構(gòu)成功率輸出模塊。中頻靜變電源內(nèi)部具有數(shù)字分頻、鎖相、波形瞬時(shí)值反饋、SPWM 脈寬調(diào)制、IGBT 輸出等技術(shù)和功能，具有負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、效率高的特點(diǎn)。AN17 系列中頻靜變電源專門為航空和軍用電子電氣設(shè)備而設(shè)計(jì)的400 Hz 中頻電源，可為飛機(jī)與機(jī)載設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)航等軍用電子設(shè)備供電，以及其它需要400 Hz 中頻電源的場(chǎng)合。其原理如圖2所示。

圖2 程控電源原理Fig.2 Programmable power supply

在工控機(jī)端，選用PXIe-6592 高速串口卡，其最高傳輸速率達(dá)10 Gb/s，具有4 個(gè)串行通信通道，專為需要驗(yàn)證、連接和測(cè)試串行協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)。它包括一個(gè)Xilinx Kintex7 FPGA，用于實(shí)現(xiàn)各種高速串行協(xié)議， 而且可通過LabVIEW FPGA 進(jìn)行編程，以針對(duì)特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最大程度的自定義性和復(fù)用性。PXIe-6592 包含了多個(gè)FPGA 數(shù)千兆位收發(fā)器以及多達(dá)4 條TX 和RX 通道。

對(duì)于待測(cè)控制器而言，其在接收到程控電源輸出的故障信號(hào)后，正常狀態(tài)下控制器應(yīng)在指標(biāo)要求延時(shí)時(shí)間內(nèi)輸出故障信號(hào)。該故障信號(hào)是一個(gè)28 V的數(shù)字輸出信號(hào)， 當(dāng)控制器未檢測(cè)到電源故障，其輸出高電平；當(dāng)控制器檢測(cè)到電源故障，其輸出低電平。為檢測(cè)飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器輸出的故障信號(hào)，選用NI PXI-6511 數(shù)字IO 卡采集故障數(shù)字信號(hào)。

PXI-6511 具有64 個(gè)輸入通道， 最大隔離輸入電壓達(dá)DC±30 V，支持漏極/源極輸入，是一款具有組隔離的PXI 數(shù)字I/O 模塊設(shè)備。此外，PXI-6511 還支持8 通道組內(nèi)光學(xué)隔離，高達(dá)DC 30 V 的組至總線和組間光學(xué)隔離， 能夠保證工業(yè)24 V 邏輯閾值、變化檢測(cè)，支持可編程輸入濾波器，采用100 針母口.050D 型連接器。測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Test system

3.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件是在Windows 7 操作系統(tǒng)環(huán)境下采用NI 的LabVIEW 平臺(tái)開發(fā)。為滿足對(duì)飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器測(cè)試的需求， 并且符合用戶使用習(xí)慣，測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)掌握以下要點(diǎn)：

1）當(dāng)選擇測(cè)試方式時(shí)，開始進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試流程，引導(dǎo)用戶根據(jù)測(cè)試提示進(jìn)行手動(dòng)操作；

2）當(dāng)選擇自動(dòng)測(cè)試時(shí)，要求“控制器測(cè)試按鈕”和負(fù)載開關(guān)全部切換至關(guān)閉位；

3）當(dāng)單擊保存時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)自動(dòng)寫入到數(shù)據(jù)記錄模板中的對(duì)應(yīng)位置，作為試驗(yàn)報(bào)告。

測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用基于事件的生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式，利用LabVIEW 的事件結(jié)構(gòu)+多線程技術(shù)為框架實(shí)現(xiàn)用戶要求的功能。軟件界面如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件界面Fig.4 Test system software interface

事件是指多活動(dòng)發(fā)生的異步通知。時(shí)間可以來自于用戶界面、外部I/O 或其他方式。用戶界面時(shí)間包括鼠標(biāo)點(diǎn)擊（單擊、雙擊）、鍵盤按鍵、窗口（關(guān)閉、縮?。┑葎?dòng)作。LabVIEW 中相應(yīng)這些事件最常用的結(jié)構(gòu)就是“事件結(jié)構(gòu)”。事件結(jié)構(gòu)在程序不能夠單獨(dú)響應(yīng)各種事件，必須與循環(huán)結(jié)構(gòu)一同使用。在設(shè)計(jì)中，利用事件結(jié)構(gòu)生成事件數(shù)據(jù)，依次插入事件消息隊(duì)列。當(dāng)點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕時(shí)，生成關(guān)閉事件，由于該事件具有高優(yōu)先級(jí)， 因此在生成關(guān)閉事件后，將其插入當(dāng)前隊(duì)列的最前端。事件生成循環(huán)程序框圖如圖5所示。

圖5 事件生成循環(huán)程序框圖Fig.5 Event generation loop block diagram

用戶界面上的產(chǎn)生的事件插入事件消息隊(duì)列后，在另一個(gè)線程的While 循環(huán)中對(duì)隊(duì)列中的事件進(jìn)行處理。循環(huán)開始后首先取出隊(duì)列最前端的事件，利用條件結(jié)構(gòu)判斷其事件類型，根據(jù)事件的不同種類，分別對(duì)事件進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理。事件處理循環(huán)程序框圖如圖6所示。

圖6 事件處理循環(huán)程序框圖Fig.6 Event process loop block diagram

4 結(jié)語

利用基于NI PXI 硬件平臺(tái)和LabVIEW 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合中頻靜變程控電源，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器的測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度滿足要求，能夠?qū)y(cè)試結(jié)果保存到文件中生成試驗(yàn)報(bào)告，滿足用戶需求。所提出的飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和路徑切實(shí)可行，對(duì)類似工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。