直升機(jī)交流電源系統(tǒng)電壓跳動(dòng)故障分析

裴翔，李錚

（1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000；2.中國人民解放軍91548部隊(duì)，遼寧興城，125100）

0 引言

直升機(jī)交流電源系統(tǒng)一般由三部分組成：交流發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)控制器和電流互感器[1～2]。交流發(fā)電機(jī)一般由主減或APU 驅(qū)動(dòng)，由交流發(fā)電機(jī)控制器控制向機(jī)上提供三相交流電；交流發(fā)電機(jī)控制器用于交流電源系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)與故障保護(hù)，控制交流發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)，并將交流電源系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)、狀態(tài)通過總線上報(bào)給上位機(jī)進(jìn)行顯示和記錄；電流互感器與交流發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)控制器配套使用，作為交流電源系統(tǒng)主饋線差動(dòng)保護(hù)檢測部件，并檢測交流發(fā)電機(jī)輸出電流[3～4]。本文通過對直升機(jī)交流電源系統(tǒng)飛行過程中電壓跳變進(jìn)行故障分析，通過故障樹的方法進(jìn)行故障定位，提出有效改進(jìn)措施，避免后續(xù)出現(xiàn)同類型故障。

1 概述

直升機(jī)在地面起動(dòng)過程中，撥動(dòng)交流發(fā)電機(jī)開關(guān)，交流發(fā)電機(jī)正常發(fā)電并網(wǎng)；直升機(jī)飛行一段時(shí)間后，機(jī)上上報(bào)交流電源系統(tǒng)故障。后續(xù)從飛參記錄數(shù)據(jù)上查詢，交流發(fā)電機(jī)電壓跳動(dòng)后在某段時(shí)間內(nèi)掉為零，同時(shí)上報(bào)交流電源系統(tǒng)故障。

2 故障定位分析

根據(jù)故障現(xiàn)象分析，直升機(jī)交流電源系統(tǒng)電壓跳動(dòng)故障可能由交流發(fā)電機(jī)控制器導(dǎo)致，依據(jù)油冷交流發(fā)電機(jī)控制器的工作原理，建立產(chǎn)品電壓跳動(dòng)原因故障樹見圖1 所示。

圖1 電壓跳動(dòng)故障樹

由故障樹可知，導(dǎo)致產(chǎn)品電壓跳動(dòng)的原因有：

(1)控制器線路故障；(2)調(diào)壓點(diǎn)采樣電路故障；(3)調(diào)壓芯片故障；(4)勵(lì)磁繼電器故障；(5)發(fā)電機(jī)開關(guān)抖動(dòng)；(6)控制器軟件復(fù)位。

對上述故障原因進(jìn)行逐一分析：

(1)控制器線路故障

在放大鏡下檢查故障件，故障件無虛焊焊點(diǎn)，線路沒有燒灼和損傷跡象。給故障件通+28V 電與115V 調(diào)壓點(diǎn)電壓做開環(huán)測試，通信中發(fā)送800 個(gè)數(shù)據(jù)，通過串口通信測得接收3200 個(gè)數(shù)據(jù)，過壓、欠壓、過頻、欠頻性能測試均正常。可確定控制器線路無故障，因此控制器線路故障的因素可以排除。

(2)調(diào)壓點(diǎn)采樣電路故障

調(diào)壓電路采樣是將調(diào)壓點(diǎn)電壓（三相交流電壓）經(jīng)過整流、濾波、分壓后的電壓（圖2 中的TP1 電壓信號）采集到脈寬調(diào)制芯片，若調(diào)壓電路采樣故障會(huì)引起TP1 點(diǎn)電壓變化，從而影響發(fā)電電壓值。

圖2 調(diào)壓采樣電路

給故障件通28VDC 工作電壓，調(diào)壓點(diǎn)施加三相100VAC、105VAC、110VAC、115VAC 電壓，用萬用表測得TP1 點(diǎn)電壓值分別為4.437VDC、4.650VDC、4.868VDC、5.084VDC，符合設(shè)計(jì)要求，用記錄儀觀測115VAC 時(shí)TP1 點(diǎn)電壓波形如圖3 所示，可見調(diào)壓采樣電壓沒有波動(dòng)，因此產(chǎn)品調(diào)壓點(diǎn)采樣電路故障的因素可以排除。

圖3 115VAC 時(shí)TP1 電壓波形

(3)調(diào)壓芯片故障

調(diào)壓芯片（圖4 中的U10）是將通過輸出PWM 波（U10的11 腳和14 腳）控制勵(lì)磁功率管（圖4 中的Q6）的開關(guān)從而控制勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，其原理如圖4所示。若調(diào)壓芯片故障則使故障件失去電壓調(diào)節(jié)功能。

圖4 調(diào)壓電路

給故障件通28VDC 工作電壓，調(diào)壓點(diǎn)施加三相115VAC 電壓，用示波器測試脈寬調(diào)制芯片的各個(gè)引腳電壓與波形均正常。調(diào)節(jié)交流電源輸出115.5VAC 電壓通過記錄儀觀測到輸出PWM 波周期為91.5μs，如圖5 所示，高電平導(dǎo)通時(shí)間為82μs,如圖6 所示，占空比為89.6%，改變?nèi)嚯娫吹妮敵鲭妷?，占空比逐步變化，如圖7 所示，符合設(shè)計(jì)要求?？纱_定調(diào)壓芯片無故障，因此調(diào)壓芯片故障可以排除。

圖5 調(diào)壓芯片周期值

圖6 調(diào)壓芯片PWM 波高電平導(dǎo)通時(shí)間

圖7 調(diào)壓芯片占空比變化圖

(4)勵(lì)磁繼電器故障

電機(jī)的PMG 電壓通過勵(lì)磁繼電器（圖8 中的K3）到故障件內(nèi)部后整流成勵(lì)磁電壓。若勵(lì)磁繼電器因故障跳動(dòng)，故障件內(nèi)部勵(lì)磁電壓也將不連續(xù)，電機(jī)的發(fā)電電壓跳動(dòng)。對控制器開環(huán)測試，用三相交流電源模擬PMG 電壓，直流電源給出勵(lì)磁繼電器的控制器信號，使勵(lì)磁繼電器接通，記錄儀監(jiān)測PWR 與PWR GND 之間的電壓波形均正常，如圖9所示?？纱_定勵(lì)磁繼電器無故障，因此勵(lì)磁繼電器故障可以排除。

圖8 PMG 電壓整流程勵(lì)磁電壓

(5)發(fā)電機(jī)開關(guān)抖動(dòng)

若發(fā)電機(jī)開關(guān)抖動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁繼電器控制信號抖動(dòng)，使勵(lì)磁繼電器跳動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)電電壓跳動(dòng)。故障件閉環(huán)做發(fā)電測試，用記錄儀檢測發(fā)電機(jī)開關(guān)信號正常，未出現(xiàn)跳動(dòng)如圖10 所示，且軟件中已進(jìn)行防抖處理。可確定發(fā)電機(jī)開關(guān)無故障，因此發(fā)電機(jī)開關(guān)抖動(dòng)可以排除。

圖10 發(fā)電開關(guān)電壓波形

(6)控制器軟件復(fù)位

故障件正常做發(fā)電測試，撥發(fā)電開關(guān)，勵(lì)磁繼電器出現(xiàn)跳動(dòng)，用示波器監(jiān)測勵(lì)磁繼電器控制信號和勵(lì)磁電壓信號，如圖11 所示。從圖上看，信號具有60ms 周期性，軟件中使勵(lì)磁控制信號為高的時(shí)間也約為60ms，因此可以判斷是軟件復(fù)位導(dǎo)致勵(lì)磁控制信號跳動(dòng)，使發(fā)電電壓跳動(dòng)。

圖11 勵(lì)磁控制信號與勵(lì)磁電壓信號

在電壓跳動(dòng)過程中，系統(tǒng)剛發(fā)電時(shí)監(jiān)測到系統(tǒng)地線上的尖峰信號較多，且只有勵(lì)磁電流接通瞬間，尖峰信號會(huì)很大，用示波器檢測系統(tǒng)地線與勵(lì)磁地線PWR GND 上的電壓差，如圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)地線與勵(lì)磁地線電壓差

綜上所述，導(dǎo)致產(chǎn)品電壓跳動(dòng)的原因?yàn)橄到y(tǒng)地線與勵(lì)磁地線PWR GND 在勵(lì)磁接通過程與系統(tǒng)地有很大壓差，導(dǎo)致DSP 的信號地受到干擾，使DSP 重啟。DSP 重啟復(fù)位初始化過程中，勵(lì)磁繼電器將斷開，發(fā)電電壓變低；DSP 正常工作后判斷滿足發(fā)電條件，勵(lì)磁繼電器會(huì)吸合，又重新發(fā)電，上述循環(huán)不斷往復(fù)，使發(fā)電電壓電壓跳動(dòng)，故障定位。

3 機(jī)理分析

在產(chǎn)品內(nèi)部，地信號有28VGND、DGND、GND 與PWR GND，其功能如表1 所示，交聯(lián)關(guān)系如圖13 所示。

表1 地線功能表

圖13 地線交聯(lián)關(guān)系圖

圖14 電源監(jiān)控電路

根據(jù)問題定位分析，導(dǎo)致電壓跳動(dòng)的機(jī)理為：調(diào)壓芯片通過輸出不同占空比的脈沖控制MOS 管的通斷來控制勵(lì)磁電流的大小。在發(fā)電過程中，勵(lì)磁功率管快速開關(guān)，在功率管導(dǎo)通瞬間在勵(lì)磁地上產(chǎn)生較大的尖峰電流，尖峰電流通過地線回路，尖峰電流會(huì)抬高地線電壓至1V 左右（見圖12），此電壓的存在會(huì)使作用在DSP 芯片上的5V 電壓出現(xiàn)4V 左右的尖峰電壓。電源監(jiān)控芯片用的是MAX1232，按照圖13 的接線方式，最大允許電源的誤差為5%即（4.75～5.25）V，在遇到4V 的尖峰電壓時(shí)，電源監(jiān)控芯片會(huì)觸發(fā)復(fù)位指令，使DSP 復(fù)位重啟。DSP 復(fù)位重啟初始化過程中，勵(lì)磁繼電器將斷開，發(fā)電電壓變低；DSP 正常工作后判斷滿足發(fā)電條件，勵(lì)磁繼電器會(huì)吸合，又重新發(fā)電，上述循環(huán)不斷往復(fù)，使發(fā)電電壓電壓跳動(dòng)，故障定位。

4 故障復(fù)現(xiàn)

對故障件故障復(fù)現(xiàn)測試，先將該產(chǎn)品的PWR GND 與GND、DGND、28VGND 隔離開來，閉環(huán)發(fā)電試驗(yàn)，控制臺將電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為12000rpm，接通發(fā)電開關(guān)，產(chǎn)品發(fā)電并網(wǎng)均正常。多次試驗(yàn)后，發(fā)電并網(wǎng)也正常。將該產(chǎn)品的PWR GND 與GND、DGND、28VGND 短接起來，進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)，接通發(fā)電開關(guān)，多次試驗(yàn)后，勵(lì)磁繼電器控制信號出現(xiàn)高低電平變化，使勵(lì)磁電壓不停跳動(dòng)，不能并網(wǎng)，與機(jī)上現(xiàn)象一致，問題復(fù)現(xiàn)。用示波器監(jiān)測的勵(lì)磁繼電器控制信號與勵(lì)磁電壓信號波形如圖15 所示。

圖15 勵(lì)磁繼電器控制信號與勵(lì)磁電壓信號

5 改進(jìn)措施

根據(jù)問題定位及機(jī)理分析，采取的主要措施如下：

(1)取消產(chǎn)品內(nèi)部PWR GND 的地線回路，即PWR GND 不與任何地線相連。對于GND、28VGND、DGND 僅在各自獨(dú)立電源回路的末端連接即在母板上相連后經(jīng)濾波器接到飛機(jī)殼體上。各自電源閉環(huán)走完回到各自電源的地線上，在各獨(dú)立電源末端端口處連接，這樣就不會(huì)出現(xiàn)不同類型的電流信號在信號板上共用相同回路的情況，從而降低不同類型的電流信號彼此之間的干擾。改進(jìn)后的地線如圖16所示。

圖16 改進(jìn)后地線圖

(2)為防止因干擾引起DSP 復(fù)位，致使發(fā)電故障，增加鎖存電路如圖17 所示。基本原理如下：在正常發(fā)電過程中，鎖存器U66 的11 腳為高電平，可以將DT1 調(diào)壓芯片的使能信號、DCR TRIP 勵(lì)磁繼電器斷開信號、DCR CLOSE勵(lì)磁繼電器閉合信號、DGB RELAY 接觸控制器信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，保持信號的時(shí)效性。若遇到干擾使DSP 復(fù)位，鎖存器U66 的11 腳為低電平，進(jìn)入鎖存狀態(tài)，使DT1、DCR TRIP、DCR CLOSE、DGB RELAY 維持干擾前的狀態(tài)，干擾不會(huì)影響信號變化，待干擾過去后，U66的11腳變?yōu)楦唠娖?，又能?shí)時(shí)傳輸信號。

圖17 鎖存原理圖

鎖存原理如表2 所示。

表2 鎖存電路工作表

當(dāng)上電完成后，接通發(fā)電機(jī)開關(guān)，DSP 給發(fā)電并網(wǎng)信號相應(yīng)電平，準(zhǔn)備發(fā)電的狀態(tài)。當(dāng)鎖存器打開后，信號通過鎖存器后發(fā)電。當(dāng)DSP 復(fù)位時(shí)，為低電平，芯片被鎖住，信號不能傳遞，維持之前的發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)DSP 復(fù)位完成后，準(zhǔn)備發(fā)電狀態(tài)，將芯片解鎖，發(fā)電狀態(tài)仍然保持。根據(jù)上述原理，對軟件進(jìn)行相應(yīng)更改。相比上一版的程序，增加了在進(jìn)入主程序前，進(jìn)行頻率采集與接通勵(lì)磁操作。當(dāng)上述操作準(zhǔn)備好后，打開鎖存器，進(jìn)行狀態(tài)鎖存。

6 結(jié)論

綜上分析，交流電源系統(tǒng)電壓跳變由于交流發(fā)電機(jī)控制器在勵(lì)磁接通過程中，勵(lì)磁電流較大，在勵(lì)磁地上有較大的脈動(dòng)電流，脈動(dòng)電流通過地線回路，使地線之間不平衡，導(dǎo)致軟件重啟。軟件重啟后，勵(lì)磁繼電器將重新吸合，勵(lì)磁重新接通，不斷循環(huán)往復(fù)，使發(fā)電電壓跳動(dòng)。

交流電源系統(tǒng)作為直升機(jī)的主電源系統(tǒng)，可靠性對直升機(jī)飛行安全極其重要。上述改進(jìn)措施落實(shí)后，通過后期試飛驗(yàn)證，交流電源系統(tǒng)工作正常。綜上所述，該改進(jìn)措施有效解決交流電源系統(tǒng)電壓跳變故障，避免后續(xù)此類故障的發(fā)生。