基于PXI總線的飛機交直流電源綜合試驗系統研究

郝世勇等

摘 要： 飛機電源系統結構復雜，被測的數據類型多、數據量大，檢測難度大。利用計算機測控技術，構建了一套基于PXI總線和LabVIEW虛擬儀器技術的飛機交直流電源綜合試驗系統。經試用證明，該試驗系統綜合化程度高，通用性強，可以實現多通道數據同步采樣、數據存儲量大、動態和靜態性能好、實時性強。

關鍵詞： PXI； 綜合試驗系統； LabVIEW； 計算機測控技術

中圖分類號： TN06?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0121?03

Abstract： Because it is difficult to measure the parameters of airplane AC & DC power supply due to its complex structure and lots of data types， mass data quantity， by means of computer control technology， a comprehensive test system based on PXI bus and LabVIEW virtual instruments technology was designed for airplane AC & DC power supply. The probation result shows that the test system has the advantages of multi?function， strong universality， multi?channel synchronous sampling， mass data strong ability， high dynamic and static performances， and high real?time performance.

Keywords： PXI； comprehensive test system； LabVIEW； computer control technology

0 引 言

飛機電源系統通常由主電源、二次電源、應急電源、輔助電源及相關的控制、調節、保護設備和配電設備等構成，是現代飛機最重要的系統之一。隨著飛機戰術技術性能的提高，應用電能源的高科技機載設備越來越多，電源系統結構越來越復雜，對其性能指標的檢測也越來越難。而飛機電源系統的性能優劣，又直接影響著飛行安全及飛機正常任務的完成。因此，構建一套完整的試驗系統開展飛機交直流電源系統及其部附件的性能檢測就顯得極為重要[1]。

飛機電源系統結構復雜、容量大，某些大功率設備不僅需要檢測開環特征參數，而且需要檢測閉環特征參數，要檢測的數據類型多、數據量大。本文在綜合分析飛機電源系統及其設備性能的基礎上，結合GJB181A?2003《飛機供電特性》等國軍標，利用計算機綜合測控技術，構建了一套基于PXI總線和LabVIEW虛擬儀器技術的飛機交直流電源綜合試驗系統[2?4]。經試用證明，該試驗系統綜合化程度高，通用性強，可以實現多通道數據同步采樣、數據存儲量大、動態和靜態性能好、實時性強。

1 系統硬件結構與實現

本試驗系統的測試對象是某型飛機的主電源系統及配電系統。根據具體定檢任務及重要設備日常校修工作的需求，確定本試驗系統主要測試對象有：兩種類型的交流發電機及配套設備、某型直流起動發電機及配套設備、匯流條功率控制器、三相交流電源指示器、單相交流電源指示器等三類電源系統。

為提高綜合試驗系統的可維修性，系統硬件采用模塊化設計，主要設備及部件均具有可更換性；有完整的內部功能檢測接口，便于迅速查找故障原因。硬件系統主要由電源控制柜、程控電源機柜、變頻器控制柜、高速變頻拖動臺、操控臺、交直流負載箱等6種主要設備組成[4?6]。硬件框圖如圖1所示。

整個試驗系統的供電全部由電源配電柜引出，以操控臺作為整體的控制中心，整體的工作原理如下：整個試驗系統的供電采用三相四線制，供電容量為120 kV·A，該電源經電源柜分配為兩個部分，一部分三相380 V供電電壓供給變頻器柜，經變頻器給拖動系統供電，另一部分采用變壓器隔離后給整個試驗系統、負載箱以及程控電源柜提供220 V單相交流電。操控臺作為控制核心，通過PXI總線控制變頻器，進而實現拖動臺的控制；通過總線控制程控電源，實現整個試驗系統電源的自動化管理；通過操控臺內部的開關量控制，實現負載箱負載的自動化控制；同時，操控臺也是被測設備的連接操作平臺，提供除發電機之外所有電源系統部附件的連接接口。

1.1 操控臺

操控臺是整個系統的主要核心部件，負責所有試驗資源的綜合管理，外形示意圖如圖2所示。該操控臺內部設有PXI控制器柜，用于放置系統的PXI控制器及其配套的接口板卡、UPS等計算機資源；操控臺上方為控制及接口部分，安裝有工業觸控液晶顯示器、設備連接插銷、開關、按鈕等。

控制器系統是操控臺的主要設備。它是以PXI控制器為核心的計算機測控平臺，主要由不間斷電源（UPS）、冗余電源、PXI控制器、工業觸控顯示器、同步采集卡、多通道模擬量采集卡、開關量采集卡、開關量控制卡、多通道計時卡、1553B通信接口卡、RS 422A通信接口卡、RS 485通信接口卡、配套專用測試電纜、接線端子板、繼電器組、接觸器組、信號調理、電參數傳感器等主要部分構成。其中，模擬量測量通道：8路差分并行輸入、單通道500 KS/s；64路單端輸入、3 MS/s；開關量測量通道：32路；開關量輸出通道：224路；不間斷電源以及冗余電源用于保證PXI控制器及顯示器的可靠不間斷供電；同步采集卡用于滿足對三相交流電壓電流同步測試的需求；多通道模擬量采集卡用于滿足系統一般電參量的測試；開關量控制卡通過外部接線控制，實現被測設備、負載等的綜合控制；開關量采集卡負責接受外部輸入的離散量信號；計時器卡用于系統的測時需求；1553B通信卡負責與被測交流電源系統的控制器通信，模擬總線控制器（BC）、遠程終端（RT）以及總線監視器（BM）；RS 485負責與程控電源的通信；RS 422A負責與變頻器的通信。

1.2 大功率交流變頻高速拖動臺

大功率高速拖動臺是試驗系統的重要組成設備，拖動臺的作用是模擬飛機發動機的轉速，如某型交流發電機的額定轉速為8 000 r/min。目前，絕大多數的電源試驗臺均采用變頻異步電動機，但是其最高轉速一般不超過3 000 r/min，要想實現高轉速，必須加裝增速齒輪箱，增加增速齒輪箱必然帶來滑油冷卻循環等一系列問題，進而導致拖動臺體積、重量大，維護工作增加。本試驗系統采用100 kW的高速異步電動機作為拖動電機，與變頻器配合，實現了0～12 000 r/min的調速范圍。

拖動電動機一端安裝接口盤，接口盤可連接三型發電機的接口法蘭盤，實現與被測電機的同軸連接。電動機內部安裝有溫度檢測裝置，預防電機的異常溫升，配套轉速測量裝置實現轉速回饋，實現轉速閉環控制。

1.3 負載箱

負載箱的功能是模擬飛機用電設備，將飛機發電機發出的電能利用負載箱進行消耗，以驗證發電機的工作特性。如某型起動發電機額定電流為直流400 A；某型單相交流發電機額定電流為100 A、功率因數為1～0.8（感性）。根據被試發電機的技術要求，設計了四個負載箱：

（1） 直流負載箱：直流28.5 V，電流0～400 A；

（2） 交流三相阻性負載箱：交流115 V，電流0～175 A（單相）；

（3） 交流三相感性負載箱：交流115 V，電流0～120 A（單相）；

（4） 交流三相容性負載箱：交流115 V，電流0～60 A（單相）。

負載箱內部設計有電阻/電容/電感負載、散熱風機、溫度檢測及保護電路、負載輸出控制電路、開關電源等。負載箱工作過程中，會產生大量熱量，為保證散熱需求，負載箱底部的散熱風扇在負載工作中進行主動通風散熱，防止負載箱過熱故障。

1.4 電源控制柜

電源控制柜用于向整個試驗系統供電，主要有進線配電盒以及配電柜兩大部分。控制柜內部安裝有相序保護電路、總電源控制裝置、供電匯流條、單相安全隔離變壓器、輸出控制裝置等低壓配電裝置，并在配電柜正面板上方設有安裝面板，安裝信號顯示燈及手動開關，提供內部信號的指示以及實現緊急情況下的斷電保護。

1.5 變頻控制柜

變頻控制柜用于高速拖動臺的控制，變頻控制柜的供電來自于電源控制柜，電源進入控制柜后分兩路，一路經進線濾波器后供給變頻器，變頻器的輸出經過輸出電抗器供給高速電機，實現高速電機的變頻供電；另一路通過輸出控制電路分別給拖動電機散熱風機以及被試發電機散熱風機供電。變頻器柜接收由拖動系統反饋回來的各類信號，如轉速信號、風壓信號燈，用以實現轉速閉環控制及散熱系統的聯鎖控制。

1.6 程控電源柜

程控電源柜內部安裝有6臺程控交直流電源，滿足試驗系統測試的電源需求。

2 系統軟件組成及實現

本試驗系統廣泛采用了PXI總線控制，通過LabVIEW技術實現了對PXI控制器系統內部資源的控制及管理。PXI是美國NI公司發布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范，是PCI在儀器領域的擴展，適合于測試、控制與數據采集場合應用的規范。

2.1 軟件組成

軟件系統由主界面引導程序、某型交流發電機系統閉環測試程序、某型直流發電機系統閉環測試程序、三相交流電源系統部附件開環測試程序、單相交流電源系統部附件開環測試程序、低壓直流電源系統部附件開環測試程序、電源參數指示器試驗程序、試驗臺性能自檢程序等4類12個功能模塊組成[7?10]。測試軟件總體框圖如圖3所示。

2.2 電源系統閉環試驗軟件

電源系統閉環試驗主要完成交流主電源系統（含交流發電機、發電機保護控制器、電流互感器）、直流主電源系統（含起動發電機、碳片調壓器、反流割斷器）、單相交流主電源系統（含交流發電機、碳片調壓器、交流電壓精調裝置）三類電源系統的閉環性能測試（含各型發電機的履歷本測試項目）以及電源系統控制保護類附件的閉環性能指標（如各型調壓器的履歷本測試項目）。該試驗系統需對試驗臺所含的拖動臺、散熱風機、負載箱、程控電源、采集卡、控制卡等多種資源進行管理。電源系統閉環試驗軟件流程框圖以及試驗界面示意圖如圖4和圖5所示。

2.3 電源系統部附件試驗軟件

電源系統部附件試驗主要完成除主電源系統外的檢測、控制、保護等附件的開環性能試驗（含履歷本測試項目及日常性能檢查內容）。該試驗系統主要為靜態性能指標的測量，具有測試方法差異大， 測試資源配備復雜等特點，需對交直流程控電源、負載箱、采集卡、控制卡等多種資源進行管理。某型過壓保護器試驗界面示意圖如圖6所示。

3 結 論

采用計算機綜合測控技術和PXI總線控制，本交直流電源綜合試驗系統實現了3類飛機電源系統（包含13種電源設備）的測試及分析，測試參數多達30余種，同時試驗系統具有數據記錄、波形分析、常見故障測試分析等功能。計算機強大的數據分析、處理、管理能力，實現了測量數據的綜合處理及有效管理，解決了傳統試驗系統測試功能少、數據處理簡單等問題。

經試用證明，本試驗系統有效解決了通過計算機測控技術實現大功率設備的性能檢測，特別是對高轉速異步電動機的調速控制，顯示了PXI總線控制的優越性。

參考文獻

[1] 郝世勇，戰祥新.基于虛擬儀器的航空電源綜合實驗系統設計[J].電子測量技術，2011（5）：70?72.

[2] 羅秋鳳，肖前貴.飛控PXI型自動測試系統的實現[J].計算機測量與控制，2011（9）：768?771.

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[4] 崔強，徐春榮，彭剛鋒.基于PXI及GPIB總線的自動測試系統設計[J].航空計算技術，2008（5）：65?68.

[5] 張曉斌，程璽菱，雷濤.基于PXI總線的飛機供電測試系統設計[J].計算機測量與控制，2011（5）：1024?1026.

[6] 馬永平.基于PXI總線的航空供配電系統測試平臺研究與設計[D].西安：西北工業大學，2007.

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[8] 劉佳，周富大.一種基于PXI的多通道數據采集系統[J].電子測量技術，2006（5）：130?134.

[9] 吳偉，郭勇，程俊東.基于PXI總線技術的飛機電氣綜合測試系統[J].計算機測量與控制，2004（9）：804?806.

[10] 董延軍，郭朋，張曉斌，等.基于LabVIEW的匯流條功率控制器測試系統設計[J].測控技術，2012（11）：92?95.

1.2 大功率交流變頻高速拖動臺

大功率高速拖動臺是試驗系統的重要組成設備，拖動臺的作用是模擬飛機發動機的轉速，如某型交流發電機的額定轉速為8 000 r/min。目前，絕大多數的電源試驗臺均采用變頻異步電動機，但是其最高轉速一般不超過3 000 r/min，要想實現高轉速，必須加裝增速齒輪箱，增加增速齒輪箱必然帶來滑油冷卻循環等一系列問題，進而導致拖動臺體積、重量大，維護工作增加。本試驗系統采用100 kW的高速異步電動機作為拖動電機，與變頻器配合，實現了0～12 000 r/min的調速范圍。

拖動電動機一端安裝接口盤，接口盤可連接三型發電機的接口法蘭盤，實現與被測電機的同軸連接。電動機內部安裝有溫度檢測裝置，預防電機的異常溫升，配套轉速測量裝置實現轉速回饋，實現轉速閉環控制。

1.3 負載箱

負載箱的功能是模擬飛機用電設備，將飛機發電機發出的電能利用負載箱進行消耗，以驗證發電機的工作特性。如某型起動發電機額定電流為直流400 A；某型單相交流發電機額定電流為100 A、功率因數為1～0.8（感性）。根據被試發電機的技術要求，設計了四個負載箱：

（1） 直流負載箱：直流28.5 V，電流0～400 A；

（2） 交流三相阻性負載箱：交流115 V，電流0～175 A（單相）；

（3） 交流三相感性負載箱：交流115 V，電流0～120 A（單相）；

（4） 交流三相容性負載箱：交流115 V，電流0～60 A（單相）。

負載箱內部設計有電阻/電容/電感負載、散熱風機、溫度檢測及保護電路、負載輸出控制電路、開關電源等。負載箱工作過程中，會產生大量熱量，為保證散熱需求，負載箱底部的散熱風扇在負載工作中進行主動通風散熱，防止負載箱過熱故障。

1.4 電源控制柜

電源控制柜用于向整個試驗系統供電，主要有進線配電盒以及配電柜兩大部分。控制柜內部安裝有相序保護電路、總電源控制裝置、供電匯流條、單相安全隔離變壓器、輸出控制裝置等低壓配電裝置，并在配電柜正面板上方設有安裝面板，安裝信號顯示燈及手動開關，提供內部信號的指示以及實現緊急情況下的斷電保護。

1.5 變頻控制柜

變頻控制柜用于高速拖動臺的控制，變頻控制柜的供電來自于電源控制柜，電源進入控制柜后分兩路，一路經進線濾波器后供給變頻器，變頻器的輸出經過輸出電抗器供給高速電機，實現高速電機的變頻供電；另一路通過輸出控制電路分別給拖動電機散熱風機以及被試發電機散熱風機供電。變頻器柜接收由拖動系統反饋回來的各類信號，如轉速信號、風壓信號燈，用以實現轉速閉環控制及散熱系統的聯鎖控制。

1.6 程控電源柜

程控電源柜內部安裝有6臺程控交直流電源，滿足試驗系統測試的電源需求。

2 系統軟件組成及實現

本試驗系統廣泛采用了PXI總線控制，通過LabVIEW技術實現了對PXI控制器系統內部資源的控制及管理。PXI是美國NI公司發布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范，是PCI在儀器領域的擴展，適合于測試、控制與數據采集場合應用的規范。

2.1 軟件組成

軟件系統由主界面引導程序、某型交流發電機系統閉環測試程序、某型直流發電機系統閉環測試程序、三相交流電源系統部附件開環測試程序、單相交流電源系統部附件開環測試程序、低壓直流電源系統部附件開環測試程序、電源參數指示器試驗程序、試驗臺性能自檢程序等4類12個功能模塊組成[7?10]。測試軟件總體框圖如圖3所示。

2.2 電源系統閉環試驗軟件

電源系統閉環試驗主要完成交流主電源系統（含交流發電機、發電機保護控制器、電流互感器）、直流主電源系統（含起動發電機、碳片調壓器、反流割斷器）、單相交流主電源系統（含交流發電機、碳片調壓器、交流電壓精調裝置）三類電源系統的閉環性能測試（含各型發電機的履歷本測試項目）以及電源系統控制保護類附件的閉環性能指標（如各型調壓器的履歷本測試項目）。該試驗系統需對試驗臺所含的拖動臺、散熱風機、負載箱、程控電源、采集卡、控制卡等多種資源進行管理。電源系統閉環試驗軟件流程框圖以及試驗界面示意圖如圖4和圖5所示。

2.3 電源系統部附件試驗軟件

電源系統部附件試驗主要完成除主電源系統外的檢測、控制、保護等附件的開環性能試驗（含履歷本測試項目及日常性能檢查內容）。該試驗系統主要為靜態性能指標的測量，具有測試方法差異大， 測試資源配備復雜等特點，需對交直流程控電源、負載箱、采集卡、控制卡等多種資源進行管理。某型過壓保護器試驗界面示意圖如圖6所示。

3 結 論

采用計算機綜合測控技術和PXI總線控制，本交直流電源綜合試驗系統實現了3類飛機電源系統（包含13種電源設備）的測試及分析，測試參數多達30余種，同時試驗系統具有數據記錄、波形分析、常見故障測試分析等功能。計算機強大的數據分析、處理、管理能力，實現了測量數據的綜合處理及有效管理，解決了傳統試驗系統測試功能少、數據處理簡單等問題。

經試用證明，本試驗系統有效解決了通過計算機測控技術實現大功率設備的性能檢測，特別是對高轉速異步電動機的調速控制，顯示了PXI總線控制的優越性。

參考文獻

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[10] 董延軍，郭朋，張曉斌，等.基于LabVIEW的匯流條功率控制器測試系統設計[J].測控技術，2012（11）：92?95.

1.2 大功率交流變頻高速拖動臺

大功率高速拖動臺是試驗系統的重要組成設備，拖動臺的作用是模擬飛機發動機的轉速，如某型交流發電機的額定轉速為8 000 r/min。目前，絕大多數的電源試驗臺均采用變頻異步電動機，但是其最高轉速一般不超過3 000 r/min，要想實現高轉速，必須加裝增速齒輪箱，增加增速齒輪箱必然帶來滑油冷卻循環等一系列問題，進而導致拖動臺體積、重量大，維護工作增加。本試驗系統采用100 kW的高速異步電動機作為拖動電機，與變頻器配合，實現了0～12 000 r/min的調速范圍。

拖動電動機一端安裝接口盤，接口盤可連接三型發電機的接口法蘭盤，實現與被測電機的同軸連接。電動機內部安裝有溫度檢測裝置，預防電機的異常溫升，配套轉速測量裝置實現轉速回饋，實現轉速閉環控制。

1.3 負載箱

負載箱的功能是模擬飛機用電設備，將飛機發電機發出的電能利用負載箱進行消耗，以驗證發電機的工作特性。如某型起動發電機額定電流為直流400 A；某型單相交流發電機額定電流為100 A、功率因數為1～0.8（感性）。根據被試發電機的技術要求，設計了四個負載箱：

（1） 直流負載箱：直流28.5 V，電流0～400 A；

（2） 交流三相阻性負載箱：交流115 V，電流0～175 A（單相）；

（3） 交流三相感性負載箱：交流115 V，電流0～120 A（單相）；

（4） 交流三相容性負載箱：交流115 V，電流0～60 A（單相）。

負載箱內部設計有電阻/電容/電感負載、散熱風機、溫度檢測及保護電路、負載輸出控制電路、開關電源等。負載箱工作過程中，會產生大量熱量，為保證散熱需求，負載箱底部的散熱風扇在負載工作中進行主動通風散熱，防止負載箱過熱故障。

1.4 電源控制柜

電源控制柜用于向整個試驗系統供電，主要有進線配電盒以及配電柜兩大部分。控制柜內部安裝有相序保護電路、總電源控制裝置、供電匯流條、單相安全隔離變壓器、輸出控制裝置等低壓配電裝置，并在配電柜正面板上方設有安裝面板，安裝信號顯示燈及手動開關，提供內部信號的指示以及實現緊急情況下的斷電保護。

1.5 變頻控制柜

變頻控制柜用于高速拖動臺的控制，變頻控制柜的供電來自于電源控制柜，電源進入控制柜后分兩路，一路經進線濾波器后供給變頻器，變頻器的輸出經過輸出電抗器供給高速電機，實現高速電機的變頻供電；另一路通過輸出控制電路分別給拖動電機散熱風機以及被試發電機散熱風機供電。變頻器柜接收由拖動系統反饋回來的各類信號，如轉速信號、風壓信號燈，用以實現轉速閉環控制及散熱系統的聯鎖控制。

1.6 程控電源柜

程控電源柜內部安裝有6臺程控交直流電源，滿足試驗系統測試的電源需求。

2 系統軟件組成及實現

本試驗系統廣泛采用了PXI總線控制，通過LabVIEW技術實現了對PXI控制器系統內部資源的控制及管理。PXI是美國NI公司發布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范，是PCI在儀器領域的擴展，適合于測試、控制與數據采集場合應用的規范。

2.1 軟件組成

軟件系統由主界面引導程序、某型交流發電機系統閉環測試程序、某型直流發電機系統閉環測試程序、三相交流電源系統部附件開環測試程序、單相交流電源系統部附件開環測試程序、低壓直流電源系統部附件開環測試程序、電源參數指示器試驗程序、試驗臺性能自檢程序等4類12個功能模塊組成[7?10]。測試軟件總體框圖如圖3所示。

2.2 電源系統閉環試驗軟件

電源系統閉環試驗主要完成交流主電源系統（含交流發電機、發電機保護控制器、電流互感器）、直流主電源系統（含起動發電機、碳片調壓器、反流割斷器）、單相交流主電源系統（含交流發電機、碳片調壓器、交流電壓精調裝置）三類電源系統的閉環性能測試（含各型發電機的履歷本測試項目）以及電源系統控制保護類附件的閉環性能指標（如各型調壓器的履歷本測試項目）。該試驗系統需對試驗臺所含的拖動臺、散熱風機、負載箱、程控電源、采集卡、控制卡等多種資源進行管理。電源系統閉環試驗軟件流程框圖以及試驗界面示意圖如圖4和圖5所示。

2.3 電源系統部附件試驗軟件

電源系統部附件試驗主要完成除主電源系統外的檢測、控制、保護等附件的開環性能試驗（含履歷本測試項目及日常性能檢查內容）。該試驗系統主要為靜態性能指標的測量，具有測試方法差異大， 測試資源配備復雜等特點，需對交直流程控電源、負載箱、采集卡、控制卡等多種資源進行管理。某型過壓保護器試驗界面示意圖如圖6所示。

3 結 論

采用計算機綜合測控技術和PXI總線控制，本交直流電源綜合試驗系統實現了3類飛機電源系統（包含13種電源設備）的測試及分析，測試參數多達30余種，同時試驗系統具有數據記錄、波形分析、常見故障測試分析等功能。計算機強大的數據分析、處理、管理能力，實現了測量數據的綜合處理及有效管理，解決了傳統試驗系統測試功能少、數據處理簡單等問題。

經試用證明，本試驗系統有效解決了通過計算機測控技術實現大功率設備的性能檢測，特別是對高轉速異步電動機的調速控制，顯示了PXI總線控制的優越性。

參考文獻

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