基于LabVIEW 的通用飛機電源系統(tǒng)的測試研究

呂偉，胡天翔，徐宇恒，張逸群

（中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，廣漢618307）

0 引言

通用航空是指民用航空器從事非公共航空運輸?shù)拿裼煤娇栈顒?，通用航空飛機機型種類多，數(shù)量大，在科學(xué)實驗、教育訓(xùn)練、工業(yè)、搶險救災(zāi)等多個領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通用飛機與現(xiàn)代運輸機系統(tǒng)構(gòu)成基本相同。

現(xiàn)代飛機電源系統(tǒng)是飛機上一個關(guān)鍵系統(tǒng)，是產(chǎn)生、存儲、變換、調(diào)節(jié)以及分配電能的系統(tǒng)，一般由電源、調(diào)節(jié)電路、穩(wěn)壓電路、控制電路、檢測電路、保護電路等組合而成[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，機載電子設(shè)備越來越多，需要電源系統(tǒng)提供高質(zhì)量、穩(wěn)定可靠的電能，飛機電源系統(tǒng)各個部件能否達到要求正常工作，是影響飛行訓(xùn)練任務(wù)和飛行安全的重要因素[2]。在傳統(tǒng)的維護工作中，對電源系統(tǒng)的各部附件檢測和校驗采用人工使用儀表手動檢測的方式進行，人工讀取檢測數(shù)據(jù)，按照相關(guān)技術(shù)文件人為判斷性能是否異?；虼嬖诠收?。傳統(tǒng)檢測方式由于檢測工序復(fù)雜，項目多，人工讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)會引入一定的誤差，對檢測標準無法嚴格統(tǒng)一，并不能較好地保證飛機電源系統(tǒng)的品質(zhì)；且操作不便，效率低，只能局部、間接反映出電源品質(zhì)，對飛行任務(wù)可能產(chǎn)生隱患。

現(xiàn)代測試技術(shù)采用計算機控制技術(shù)和測試技術(shù)相結(jié)合，可以使用軟件對采集的數(shù)據(jù)分析處理，并且根據(jù)需要來對采集數(shù)據(jù)進行調(diào)整，減小檢測誤差，提高維護效率[3-4]。本文設(shè)計了基于LabVIEW 軟件對飛機電源測試系統(tǒng)進行編程，數(shù)據(jù)采集使用NI 公司生產(chǎn)的CompactDAQ 采集平臺。該系統(tǒng)能夠?qū)︼w機電源系統(tǒng)中的各部附件進行性能檢測及校驗，對采集數(shù)據(jù)存儲分析記錄，提高檢測效率，檢測飛機電源系統(tǒng)的供電品質(zhì)，及時發(fā)現(xiàn)存在的異常與隱患。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

現(xiàn)代通用飛機通常由發(fā)動機帶動交流發(fā)電機產(chǎn)生交流電（AC），由整流器轉(zhuǎn)換為直流電（DC），為飛機上的用電設(shè)備進行供電。本文主要以通用飛機發(fā)電機為測試對象。

通用飛機電源測試系統(tǒng)可用于通用飛機發(fā)電機的檢修維護。根據(jù)機務(wù)維修手冊對發(fā)電機進行檢測與校驗，發(fā)現(xiàn)存在的異常與故障，保證電源品質(zhì)。

此電源測試平臺分為硬件系統(tǒng)部分和軟件系統(tǒng)部分，可以實現(xiàn)對測試的部附件的數(shù)據(jù)采集和分析功能。硬件部分采用三相異步電機模擬飛機發(fā)動機運行的真實狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)采集模塊和信號調(diào)理電路采集處理數(shù)據(jù)，測控計算機采用便攜式工控機，方便在外場和內(nèi)場進行檢測維修工作；軟件部分基于LabVIEW 軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、分析等功能，測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 飛機電源系統(tǒng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由高速拖動系統(tǒng)、傳感器模塊、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、測控計算機等構(gòu)成。

2.1 高速拖動系統(tǒng)

大功率的高速拖動系統(tǒng)在該測試系統(tǒng)中用來模擬飛機發(fā)動機驅(qū)動航空發(fā)電機的運行狀態(tài)。該系統(tǒng)采用高速三相異步電動機作為驅(qū)動裝置，該電動機結(jié)構(gòu)簡單，不需要增速齒輪及滑油散熱油箱，使整個拖動系統(tǒng)的體積、質(zhì)量大幅降低，可靠性高，便于維護。

驅(qū)動電源采用380V 交流電，通過變頻器后連接三相異步電動機作為驅(qū)動電源。變頻器根據(jù)需要可通過改變輸出頻率和電壓對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。按照通用飛機的發(fā)動機功率，采用7.5kW 變頻器，可以模擬出航空發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊的設(shè)計主要由電壓、電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等構(gòu)成。傳感器將電壓、電流等信號經(jīng)過信號調(diào)理電路進行變換、濾波和放大等處理達到接受范圍后傳遞給數(shù)據(jù)采集模塊，發(fā)送給測控計算機。

2.3 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要負責將航空發(fā)電機輸出的電壓、電流等信號經(jīng)過信號調(diào)理成能夠與數(shù)據(jù)采集卡相匹配的信號量。主要包括對電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；對交直流電壓的幅值調(diào)理和信號隔離等功能。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

測控計算機和外部設(shè)備的連接使用數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可以將航空發(fā)電機產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為測控計算機可以讀取的數(shù)字信號。由于飛機電源系統(tǒng)的動態(tài)時間較短、數(shù)據(jù)存儲量大、采樣周期短等特殊性，采用美國NI 公司生產(chǎn)的獨立式CompactDAQ 采集卡，采集卡如圖2 所示。CompactDAQ 采集卡具有高性能的嵌入式采集和記錄的獨立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)置Intel 雙核處理器，具有較強的數(shù)據(jù)處理和分析能力。獨立式NI-CompactDAQ 系統(tǒng)可提供用以大多數(shù)傳感器類型的信號調(diào)理模塊選項以及各類標準連接，如USB、以太網(wǎng)、串口等，可用于擴展I/O 和連接其他第三方外部設(shè)備。其屬于模塊化系統(tǒng)，通過插入其他模塊即可添加更多測量類型和通道。CompactDAQ 數(shù)據(jù)采集模塊便于攜帶，方便在外場和內(nèi)場進行檢測維修工作。

2.5 測控計算機

工控機應(yīng)具有良好的工作性能，面對外場和內(nèi)場的工作環(huán)境，保證良好的測試性能還應(yīng)具有較強的抗干擾和防震能力，作為測控計算機的工控機是測試系統(tǒng)的核心，使用測控計算機控制整個檢測過程，對經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理后的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信號傳遞給測控計算機，使用軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和分析，輸出測量結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

飛機電源測試系統(tǒng)軟件設(shè)計是在Windows 操作系統(tǒng)環(huán)境下使用LabVIEW 軟件開發(fā)平臺編寫。Lab-VIEW 是基于C/C++開發(fā)的專門用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制及自動測試系統(tǒng)的可視化編程語言，無文本代碼圖形化框圖（“G”語言），編寫程序擴展名為VI，Lab-VIEW 提供了豐富的函數(shù)數(shù)據(jù)庫，提供了大量的圖形控制和工具，使人機界面變得友好和方便。對于飛機電源測試系統(tǒng)來說，LabVIEW 的編程具有更強的靈活性和擴展性，使用人員可以根據(jù)不同任務(wù)的測試需要便可對系統(tǒng)功能進行擴展。

軟件編寫采用“自頂向下逐層分解”的方式，將各測試系統(tǒng)模塊化，這樣的方式提高了靈活性和擴展性[5]。測試系統(tǒng)測試軟件流程圖如圖3 所示。測試軟件由初始化參數(shù)模塊、機型選擇模塊、電壓和電流模塊、結(jié)果顯示、生成報告等模塊組成。在該系統(tǒng)中，首先需要進行初始化參數(shù)，重新設(shè)置采樣頻率和通道，避免采集數(shù)據(jù)時產(chǎn)生錯誤，其次對測試機型進行選擇，選擇后可以根據(jù)測試要求對交流發(fā)電機進行電壓和電流的測試，采集和測試完成后可以選擇是否進行其他項目，若要進行其他項目的測試，上一個測試結(jié)果會自動存儲在計算機中，若不進行其他項目測試，則會在計算機中顯示結(jié)果并生成報告。在該系統(tǒng)中采用模塊化設(shè)計，可以根據(jù)機型需要對測試對象進行修改。通用飛機電源測試系統(tǒng)主界面如圖4 所示。程序局部圖如圖5所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件流程圖

圖4 通用飛機電源測試系統(tǒng)主界面

圖5 測試程序局部圖

4 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)選取Cessna172R 型飛機和TB-200 型飛機的交流發(fā)電機，測試過程依據(jù)各機型機務(wù)維護手冊確定。

4.1 測試結(jié)果一

選取Cessna172R 型通用飛機的ASG10001-17 型號飛機交流發(fā)電機為測試對象。在測試前首先要對發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行靜態(tài)測量，按照Cessna172R 型飛機維修手冊要求在靜態(tài)下測得轉(zhuǎn)子電阻值，測得的電阻值滿足要求后對交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子加載12V 額定電壓測得電流滿足維修手冊要求，以保證測試結(jié)果準確性。其次，將交流發(fā)電機在拖動臺上固定，驅(qū)動裝置與發(fā)電機使用皮帶連接拖動，對測試平臺加載380V/50Hz 交流電作為驅(qū)動電源，使用變頻器對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，發(fā)電機輸出端與負載相連，發(fā)電機輸出的電壓電流信號經(jīng)過傳感器、信號調(diào)理電路的處理傳輸給數(shù)據(jù)采集卡后傳送給工控機。根據(jù)手冊進行低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速兩種情況下的電壓和電流檢測。

（1）低轉(zhuǎn)速下發(fā)電機電壓和電流測試：根據(jù)測試要求，加載一定量的負載，利用測試平臺將轉(zhuǎn)速調(diào)至4000r/min。觀察虛擬儀器顯示的電壓讀數(shù)為28V 時，其輸出電流為42A，如圖6 所示。滿足機務(wù)維修手冊規(guī)定的低轉(zhuǎn)速（4000rpm）時輸出電壓28V，輸出電流不小于35A 的要求。

圖6 4000rpm狀態(tài)下電壓、電流測試值

（2）高轉(zhuǎn)速下發(fā)電機電壓和電流測試：根據(jù)測試要求，加載一定量的負載，利用測試平臺將轉(zhuǎn)速調(diào)至8000r/min。觀察虛擬儀器顯示的電壓讀數(shù)為28V 時，其輸出電流為63A，如圖7 所示。滿足機務(wù)維修手冊規(guī)定的高轉(zhuǎn)速（8000rpm）時輸出電壓28V，輸出電流不小于55A 的要求。

4.2 測試結(jié)果二

選取TB-200 型飛機ALU6500 系列交流發(fā)電機為測試對象。首相，同樣要對TB-200 型ALU6500 系列飛機交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子在靜態(tài)下做加載電壓的測試，保證測試結(jié)果準確性。將測試平臺與TB-200 型飛機交流發(fā)電機相連，連接方式與Cessna172R 型飛機交流發(fā)電機相同，對測試平臺加載380V/50Hz 交流電作為驅(qū)動電源。根據(jù)維修手冊要求在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速情況下對發(fā)電機的輸出電壓與電流進行檢測。

（1）低轉(zhuǎn)速下發(fā)電機電壓和電流測試：根據(jù)測試要求，加載一定量的負載，利用測試平臺將轉(zhuǎn)速調(diào)至4000r/min。觀察虛擬儀器顯示的電壓讀數(shù)為28V 時，其輸出電流為32A，如圖8 所示。滿足機務(wù)維修手冊規(guī)定的低轉(zhuǎn)速（4000rpm）時輸出電壓28V，輸出電流不小于23A 的要求。

圖8 4000rpm狀態(tài)下電壓、電流測試值

（2）高轉(zhuǎn)速下發(fā)電機電壓和電流測試：根據(jù)測試要求，加載一定量的負載，利用測試平臺將轉(zhuǎn)速調(diào)至8000r/min。觀察虛擬儀器顯示的電壓讀數(shù)為28V 時，其輸出電流為72A，如圖10 所示。滿足機務(wù)維修手冊規(guī)定的高轉(zhuǎn)速（8000rpm）時輸出電壓28V，輸出電流不小于61A 的要求。

圖9 8000rpm狀態(tài)下電壓、電流測試值

通過以上對Cessna172R 型飛機交流發(fā)電機和TB-200 型飛機交流發(fā)電機的測試結(jié)果來看，本通用飛機電源系統(tǒng)測試系統(tǒng)可以準確、便捷地測出通用飛機交流發(fā)電機維修檢測所需數(shù)據(jù)，同時可以保存測試數(shù)據(jù)，形成測試報告。滿足內(nèi)、外場對電源系統(tǒng)維護的要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的通用飛機電源系統(tǒng)測試平臺，使用獨立式采集卡能夠高速準確地采集測試數(shù)據(jù)，使用Lab-VIEW 軟件操作簡單，人機界面友好，采用模塊化設(shè)計方式?；贚abVIEW 的測試系統(tǒng)采用便攜式工控機，維修人員在內(nèi)、外場測試維修便捷。通過測試實驗表明該系統(tǒng)能夠滿足測試要求且該系統(tǒng)能夠準確、快速地量所需測試數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)測試方式來說，準確度增高，人為誤差減小，有利于提高維修人員對飛機電源品質(zhì)的檢測工作的效率。