基于LabVIEW的飛機發(fā)電機控制器測試系統(tǒng)設(shè)計

張 佳

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077）

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

飛機發(fā)電機控制器是飛機電源系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)電源正常供電的重要環(huán)節(jié)。其主要功能是在自動控制設(shè)備及手動操作的協(xié)調(diào)配合下，控制發(fā)電機的勵磁回路導(dǎo)通， 進而能夠正常發(fā)電。在發(fā)電機發(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)電機向負(fù)載設(shè)備供電；在飛機供電系統(tǒng)中某部分出現(xiàn)故障時， 控制器能夠隔離故障部分，同時對電網(wǎng)進行重構(gòu)，從而保證重要設(shè)備的不間斷供電[1]。

在現(xiàn)代飛機上，發(fā)電機的調(diào)壓、控制以及電源系統(tǒng)的保護裝置常組合在一起，構(gòu)成發(fā)電機控制器GCU（generator control unit），以實現(xiàn)對發(fā)電和供電系統(tǒng)的控制。鑒于飛機發(fā)電機控制器的關(guān)鍵作用，其裝備前的地面測試尤為重要。在此，以某型飛機發(fā)電機控制器為對象（如圖1所示），有針對性地設(shè)計其地面測試系統(tǒng)，并利用該測試系統(tǒng)對飛機發(fā)電機控制器進行測試試驗。

圖1 飛機發(fā)電機控制器Fig.1 Aircraft generator control unit

1 飛機發(fā)電機控制器工作原理

飛機發(fā)電機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)上具有獨立性，不受供電系統(tǒng)處理機的控制，僅向供電系統(tǒng)處理機輸出對應(yīng)的發(fā)電機通道的工作情況。發(fā)電機控制器的功能包括對發(fā)電機進行調(diào)壓、發(fā)電通道的控制及保護。發(fā)電機控制器從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看是一種數(shù)字式設(shè)備[2]。其能夠進行啟動機內(nèi)自測試BIT （built in test）、運行BIT 和維護BIT， 還能夠?qū)Πl(fā)電通道進行故障判斷以及對通道狀態(tài)信號進行傳輸。

總而言之，飛機發(fā)電機控制器主要有以下3 個功能：①對發(fā)電機/變換器通道進行監(jiān)測并向供電系統(tǒng)處理機發(fā)送監(jiān)測報告；②控制發(fā)電機工作在同步及并聯(lián)狀態(tài)；③監(jiān)控差動保護回路從而保護饋電線故障不會影響到發(fā)電通道[3]。

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

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

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

3）匯流條聯(lián)接斷路器BTB（bus tie breaker）——控制各臺發(fā)電機匯流條與聯(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）——控制外電源與機上聯(lián)接匯流條的通斷，即決定地面電源是否向機上供電。飛機在地面作業(yè)或啟動發(fā)動機時，可由地面電源通過機上的地面電源插座向機上負(fù)載供電。

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

除以上控制對象外，在電源配電系統(tǒng)中還有大量的接觸器、繼電器需要進行通、斷控制，以實現(xiàn)對不同負(fù)載的供電和出現(xiàn)故障時的電網(wǎng)重構(gòu)。該型飛機發(fā)電機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，已廣泛應(yīng)用于大中型飛機的電源系統(tǒng)上。飛機發(fā)電機實現(xiàn)了飛機電源系統(tǒng)的智能化控制，提高了電源系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

2 建立測試系統(tǒng)的意義

飛機電源系統(tǒng)在工作時會發(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。對出現(xiàn)的故障應(yīng)盡快采取對應(yīng)的措施進行保護，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)每種故障對供電系統(tǒng)造成的危害程度采用不同的保護措施。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；有的故障需要同時斷開GCR 和GCB，使發(fā)電機滅磁并與電網(wǎng)隔離；而有些故障只需要斷開發(fā)電機的輸出，無須斷開GCR。此外，不同故障對電源設(shè)備或負(fù)載造成的危害程度也不一樣，為了既不造成誤動作，又不會損壞設(shè)備，故障保護電路一般都要設(shè)置一定的延時。

在飛機上單臺發(fā)電機供電系統(tǒng)中的故障保護項目主要包括：

過電壓OV（over voltage）；

欠壓UV（under voltage）；

饋線及發(fā)電機內(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；等。

在多臺發(fā)電機并聯(lián)供電系統(tǒng)中，還設(shè)有過勵磁OE（over exciting）、欠勵磁UE（under exciting）等保護項目。

對于具體的某種機型來說，以上的保護項目不一定都需要，具體應(yīng)根據(jù)飛機的用途及性能、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。在此所針對的飛機發(fā)電機控制器測試設(shè)計的待測故障類型有過壓、欠壓、過頻、欠頻，以及該故障的故障保護點測試。

3 測試系統(tǒng)的設(shè)計

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

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

總體來看，測試系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩大部分。

3.1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

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模塊上集成了標(biāo)準(zhǔn)的I/O 特性，是一個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)動器。此外還具有基于PCI 總線的GPIB 控制器和Express-Card/34 擴展插槽。PXIe-8840 控制器的標(biāo)準(zhǔn)I/O 接口包括：2 個DisplayPort 視頻端 口，1 個RS-232 串口，4 個高速USB 端口，2 個超速USB 端口，2 個以太網(wǎng)口，1 個復(fù)位按鈕和1 個PXI 觸發(fā)端口。

NI PXIe-1082 機箱是結(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)計的特點，能夠在廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用。PXIe-1082 機箱具有很高的可維修性和很短的平均維修時間MTTR（mean time to repair）， 其完全兼容PXI-5 PXI Express 硬件標(biāo)準(zhǔn)，提供先進的計時和同步特性。

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

對飛機發(fā)電機控制器進行測試時，需要利用測試系統(tǒng)的電源模擬發(fā)電機輸出和發(fā)電機勵磁電壓輸出，人為設(shè)置各種故障信號，施加于控制器的輸入回路。為生成特定的故障信號，需要采用程控電源，通過工控機輸出命令控制程控電源輸出命令要求的故障信號。為實現(xiàn)工控機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、效率高的特點。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)計的400 Hz 中頻電源，可為飛機與機載設(shè)備、雷達、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

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

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

PXI-6511 具有64 個輸入通道， 最大隔離輸入電壓達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，支持可編程輸入濾波器，采用100 針母口.050D 型連接器。測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

3.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件是在Windows 7 操作系統(tǒng)環(huán)境下采用NI 的LabVIEW 平臺開發(fā)。為滿足對飛機發(fā)電機控制器測試的需求， 并且符合用戶使用習(xí)慣，測試系統(tǒng)軟件設(shè)計時應(yīng)掌握以下要點：

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

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

3）當(dāng)單擊保存時，相應(yīng)的數(shù)據(jù)自動寫入到數(shù)據(jù)記錄模板中的對應(yīng)位置，作為試驗報告。

測試系統(tǒng)軟件設(shè)計時采用基于事件的生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式，利用LabVIEW 的事件結(jié)構(gòu)+多線程技術(shù)為框架實現(xiàn)用戶要求的功能。軟件界面如圖4所示。

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

事件是指多活動發(fā)生的異步通知。時間可以來自于用戶界面、外部I/O 或其他方式。用戶界面時間包括鼠標(biāo)點擊（單擊、雙擊）、鍵盤按鍵、窗口（關(guān)閉、縮小）等動作。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列。當(dāng)點擊“關(guān)閉”按鈕時，生成關(guān)閉事件，由于該事件具有高優(yōu)先級， 因此在生成關(guān)閉事件后，將其插入當(dāng)前隊列的最前端。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列后，在另一個線程的While 循環(huán)中對隊列中的事件進行處理。循環(huán)開始后首先取出隊列最前端的事件，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，分別對事件進行對應(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 硬件平臺和LabVIEW 軟件平臺設(shè)計的飛機發(fā)電機控制器測試系統(tǒng)，結(jié)合中頻靜變程控電源，能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機發(fā)電機控制器的測試。測試系統(tǒng)測試精度滿足要求，能夠?qū)y試結(jié)果保存到文件中生成試驗報告，滿足用戶需求。所提出的飛機發(fā)電機控制器測試系統(tǒng)設(shè)計方法和路徑切實可行，對類似工程應(yīng)用具有一定的參考價值。