某型計程儀發(fā)送裝置測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

吳永明，林育生

（海軍九〇二廠，上海 200083）

0 引言

某型計程儀是非常重要的航海設備[1]，其發(fā)送裝置接收主儀器的航速和航程信號，根據(jù)艦船上雷達、聲納、指控、導航等系統(tǒng)各用戶的需求，轉(zhuǎn)換成相應的模擬及數(shù)字信號供其使用，發(fā)送裝置若工作不正常會導致這些系統(tǒng)無法正常使用。由于發(fā)送裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，旋變等微電機眾多，兩個分機之間的信號關(guān)系相對復雜，對外輸出的航速、航程信號眾多，內(nèi)場中修時對發(fā)送裝置的維修調(diào)試特別困難，其中的一些性能測試如信號連接、負載能力和發(fā)送接收精度等根本無法測試。為此，迫切需要研制專用的檢測設備，判斷計程儀發(fā)送裝置工作是否正常，保證今后該型計程儀回裝后能順利完成與雷達、聲納、指控、導航等系統(tǒng)的信號聯(lián)調(diào)，以滿足該型計程儀發(fā)送裝置的高等級修理內(nèi)場調(diào)試的需要。

1 技術(shù)策略

1.1 發(fā)送裝置特點

發(fā)送裝置由電子設備 ПЭ儀器和機械設備ПM-301儀器兩個分機組成，ПЭ儀器接收主儀器速度和航程信號來控制ПM-301儀器工作，ПM-301儀器內(nèi)部包含了29個旋變微電機、3個自整角機和2個步進電機，因此，旋變等微電機是發(fā)送裝置的關(guān)鍵部件。發(fā)送裝置就是將主儀器輸出的航速及航程信息，由數(shù)字形式轉(zhuǎn)換為模擬形式。通過控制各旋變等微電機角度位置量來產(chǎn)生不同電信號再傳送給相應的用戶端，滿足雷達、聲納、指控、導航等系統(tǒng)對航速及航程信息的需求。

1.2 技術(shù)對策與措施

為解決計程儀發(fā)送裝置性能測試的難題，根據(jù)發(fā)送裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進行深入研究，提出了以下技術(shù)對策和措施：

1）針對發(fā)送裝置模擬信號發(fā)送主要采用旋轉(zhuǎn)變壓器來實現(xiàn)的特點，提出旋轉(zhuǎn)變壓器角度數(shù)字解算的方法，以旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理和工作特性為基礎(chǔ)，分析不同旋變微電機在不同角度的感應波形，建立并簡化旋變微電機角度解算數(shù)學模型[2]，推導出旋變微電機工作回路和航速及航程的對應關(guān)系，進而歸納出其信號標準。為發(fā)送裝置模擬信號發(fā)送的維修調(diào)試確定標準。

2）針對測試發(fā)送裝置時需要為其提供航速控制信號才可以工作的特點，在實裝現(xiàn)場采集計程儀主儀器向發(fā)送裝置發(fā)送的所有信息數(shù)據(jù)，接著對主儀器內(nèi)部各個線路板原理圖進行分析，分離出電路部分的信號發(fā)生電路，信號同步電路及信號驅(qū)動放大電路，并用仿真軟件對信號電路進行軟件仿真，得到的仿真波形符合現(xiàn)場測試的信號波形，再以分離出的信號發(fā)生電路，信號同步電路和信號驅(qū)動放大電路為基礎(chǔ)設計了主儀器發(fā)送電路，經(jīng)過試驗測試來模擬主儀器發(fā)送的全部信號，為計程儀發(fā)送裝置提供航速、航程信號及其他控制信號。

3）針對發(fā)送裝置ПЭ儀器與ПM-301儀器之間的信號控制性能進行測試，采用數(shù)字信號處理技術(shù)，設計了多路信號同步采集功能。通過對信號發(fā)送采集卡各個模擬信號采集通道進行時間分配采集，運用信號發(fā)送采集卡內(nèi)部時鐘作為同步基準時鐘，各輸入信號以同步基準時鐘為基準進行同步采集。采用處理速度快的工控機，配合信號發(fā)送采集卡，就可以實現(xiàn)多路同步信號采集。

4）針對測試不同旋變等微電機時需要進行負載匹配，以達到精確測試旋變等微電機工作狀態(tài)下的帶負載能力，設計采用電子負載來進行負載功能測試，電子負載需具有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能，具備短路，過流，動態(tài)等保護。

5）為了達到簡單易用的目的，通過虛擬儀器技術(shù)設計功能全面、界面友好的軟件平臺。通過編制和執(zhí)行不同的虛擬儀器軟件，來構(gòu)成各種不同的儀器，實現(xiàn)用戶定義的儀器或測試功能，利用虛擬儀器技術(shù)在圖形化編程以及在工業(yè)自動化實踐中的優(yōu)勢，為用戶提供操作簡便，功能全面的測試裝置操作方法。

1.3 總體方案

測試系統(tǒng)采用便攜式工控機，設計的某型計程儀發(fā)送裝置測試系統(tǒng)由信號輸出模塊、主控制器、信號采集模塊及旋變等微電機檢測模塊四個部分組成。原理框圖如圖1所示：

圖1 某型計程儀發(fā)送裝置測試系統(tǒng)原理框圖

1）信號輸出模塊

信號輸出模塊主要是模擬主儀器向ПЭ儀器發(fā)送航速信號、航程信號、故障信號、禁止信號等數(shù)字信號，包括初始信號檢測和航速檢測兩個部分。

2）信號采集模塊

信號采集模塊主要是采集 ПЭ 儀器和ПM-301儀器之間的信號，包括控制信號檢測和反饋信號檢測兩部分。

3）旋變等微電機檢測模塊

旋變等微電機檢測模塊主要是通過向旋轉(zhuǎn)變壓器提供激磁和匹配負載，采集不同航速狀態(tài)下旋變等微電機的輸出信號，測試判斷微電機的性能狀態(tài)，包括29個旋變微電機測試和3個自整角機測試。

4）主控制器

主控制器即信號發(fā)送采集卡，是測試系統(tǒng)的核心部件，通過它實現(xiàn)信號的發(fā)生，控制及采集。選用NI的PCI-6220信號發(fā)送采集卡，其具有豐富的底層硬件驅(qū)動，使軟件編程更加方便，可根據(jù)用戶需求靈活定制系統(tǒng)功能，能提供高速高分辨率的數(shù)據(jù)采集功能，具有多個模擬量數(shù)據(jù)采集通道，能配合高精度的信號匹配放大電路來構(gòu)架高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 方案設計

2.1 信號輸出模塊設計

圖2為信號輸出模塊結(jié)構(gòu)圖。該模塊采用高性能和高可靠性PCI總線通信控制的方式，實現(xiàn)各組件的實時通信。便攜式工控機提供人機界面，用戶通過人機界面可進行航速信號、航程信號、禁止信號、故障信號的發(fā)送和停止操作，通過PCI總線控制信號發(fā)送采集卡發(fā)出的多路信號，同時便攜式工控機通過PCI總線控制信號與同步控制板進行信號同步，同步后的信號經(jīng)過信號驅(qū)動放大板進行信號匹配后輸出至ПЭ儀器。

2.2 信號采集模塊設計

圖3為信號采集模塊結(jié)構(gòu)圖，該模塊同樣采用高性能和高可靠性PCI總線通信控制的方式，實現(xiàn)各組件的實時通信。便攜式工控機提供人機界面，用戶通過人機界面可進行速度反饋信號及電機控制信號的采集。便攜式工控機通過PCI總線控制信號同步采集板來切換需要采集的信號通道，ПЭ儀器Ш5口及Ш6口的信號通過三通電纜傳輸?shù)叫盘栕杩蛊ヅ浒?，信號阻抗匹配板根?jù)信號幅值頻率等特性進行阻抗匹配，信號經(jīng)過衰減或放大至信號發(fā)送采集卡可分析范圍內(nèi)，通過切換好的模擬通道進入信號發(fā)送采集卡，信號發(fā)送采集卡再進行信號還原，最后顯示到人機界面。

2.3 旋變等微電機檢測模塊設計

圖2 信號輸出模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4為旋變等微電機檢測模塊結(jié)構(gòu)圖。該模塊也是采用高性能和高可靠性PCI總線通信控制的方式，實現(xiàn)各組件的實時通信。單片機產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過信號處理放大后變?yōu)?00 Hz正弦波，再經(jīng)過功率放大后成為可以驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電源。用戶通過人機界面選擇需要測試的旋轉(zhuǎn)變壓器，信號發(fā)送采集卡發(fā)出控制信號，控制電源切換到相應的電壓。工控機通過PCI總線和電子負載通訊，匹配旋變等微電機的輸入阻抗，輸出的微電機信號經(jīng)過處理后由信號發(fā)送采集卡采集，最后顯示到人機界面。自整角機的測試和旋轉(zhuǎn)變壓器相同，其電源工作頻率為常見 50 Hz交流電，故不需要系統(tǒng)提供激磁電源。

設計的激磁電源結(jié)構(gòu)如圖 5所示。單片機PIC16F73產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過LM358信號處理放大后變?yōu)?00 Hz正弦波，再經(jīng)過OPA547功率放大后成為可以驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電源。127 V電源是通過40 V-127 V變壓器獲得。單片機PIC16F73采用哈佛總線，處理速度快，產(chǎn)生波形的分辨率可達0.01 V。經(jīng)過試驗驗證能為測試系統(tǒng)提供波形完整，平滑，無雜波的500 Hz激磁電源， 滿足被檢測旋轉(zhuǎn)變壓器對電源品質(zhì)的要求。

2.4 電子負載設計

設計的電子負載[3]原理如圖6所示，該模塊可通過PCI總線和上位機通訊來自動調(diào)整匹配旋轉(zhuǎn)變壓器負載，電子負載內(nèi)部分為恒壓電路、恒流電路、過流保護電路、驅(qū)動電路四部分。

圖3 信號采集模塊框圖

圖5 激磁電源結(jié)構(gòu)框圖

圖6 電子負載原理圖

1）恒壓電路： 如圖 6虛線框①所示。當負載端輸入電壓增大時，U3A同相輸入端電壓增大。當同相輸人端電壓大于反相輸入端電壓(基準電壓)時，U3A輸出高電平，在場效應管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG上產(chǎn)生壓降，使得漏極D和源極S之間的電壓VDS減小，從而達到恒壓的目的。

2）恒流電路： 如圖6虛線框②所示。當負載電流增大時，R19、R22、R25、R28上的電壓增大。即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，也即是 U3C反相輸入端電壓增大，當 U3C反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓時，U3C輸出低電平，場效應管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓 VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內(nèi)阻 RDS增大，負載電流減小，從而達到恒流的目的。

3）過流保護電路： 如圖6虛線框③ 所示。當負載電流增大時，R19、R22、R25、R28上的電壓增大，即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，U3B反相輸入端電壓增大，但電流繼續(xù)增大。當反相端電壓大于所設定過流保護電流的基準電壓(同相端輸入電壓)時，U3B輸出低電平，場效應管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內(nèi)阻RDS增大，負載電流減小，從而起到過流保護作用。

4）驅(qū)動電路：如圖6虛線框④ 所示。Q1、Q2、Q3、Q4選用大功率場效應管IRF540作為功率器，但是多管并聯(lián)后，由于極間電容和分布電容相應增加，使放大器的高頻特性變壞，通過反饋容易引起放大器的高頻寄生振蕩。為此，并聯(lián)復合管一般不超過4個，而且在每管基極或柵極上串接防寄生振蕩電阻。R17、R20、R23、R26為驅(qū)動電阻，R18、R21、R24、R27為取樣電壓電阻，R19、R22、R25、R28為限流電阻。C9一端接場效應管 IRF540漏極，另一端接地，用于防震蕩。

2.5 軟件平臺設計

測試系統(tǒng)軟件平臺設計采用 Labview2009、PICMATE2002、Access2000軟件，在 WindowsXP環(huán)境下開發(fā)診斷模塊的軟件平臺，采用模塊化和開放式設計思想、面向?qū)ο蟮脑O計方法，包括初始化程序，系統(tǒng)自檢程序設計、波形處理程序、數(shù)據(jù)庫存儲程序、報警程序設計等，可便于軟件的維護和擴充。圖7為測試裝置軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)流程圖。

圖7 軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)流程圖

3 方案實現(xiàn)

3.1 測試界面

測試系統(tǒng)由功能選擇界面及測試的五個子部分組成，五個子部分組成為：初始信號檢測，控制信號檢測，反饋信號檢測，航速檢測，旋轉(zhuǎn)變壓器檢測。

3.2 測試功能

計程儀發(fā)送裝置內(nèi)的微電機主要有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器及自整角機等類型。測試的某一旋變微電機連線及信號波形如圖 8，圖9所示。

4 結(jié)論

某型計程儀發(fā)送裝置測試系統(tǒng)針對該發(fā)送裝置內(nèi)場中修調(diào)試所遇到的實際困難，根據(jù)該裝置的信號特點，設計實現(xiàn)了發(fā)送裝置測試系統(tǒng)，能為計程儀發(fā)送裝置提供可設定的計程儀速度信號標準源及匹配的輸出負載，對其工作的內(nèi)部信號及旋變等微電機輸出的航速和航程信號進行采集和分析，判斷設定條件下發(fā)送裝置信號連接、負載能力和發(fā)送接收精度是否正確。測試系統(tǒng)能存儲發(fā)送裝置內(nèi)部所有旋變等微電機的正常波形信號，構(gòu)建了微電機的信號標準庫，為該裝置維修調(diào)試提供了依據(jù)，保證今后電磁計程儀回裝后能順利完成和雷達、聲納、指控、導航等系統(tǒng)等各重要戰(zhàn)位的信號聯(lián)調(diào)。測試系統(tǒng)研制成功后經(jīng)過大量測試和部隊試用，運行穩(wěn)定，操作可靠，性能指標穩(wěn)定可靠，完全能夠滿足某型計程儀發(fā)送裝置檢測調(diào)試和故障維修的需要。

圖8 某旋轉(zhuǎn)微電機的連線提示圖

圖9 微電機正余弦感性信號波形

[1]陳錦德. 計程儀[M]. 天津: 海軍司令部航海保證部,2008.

[2]湯渝欽. 控制電機[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1981.

[3]潘詩鋒, 趙劍鋒, 王潯. 大功率交流電子負載的研究. 電力電子技術(shù), 2006, (10).