基于數字化平臺的發電機控制器可靠性優化設計

吳顏飛　畢鋒

摘要：隨著科學技術的快速發展，各種機械設備對于發電機控制器的可靠性有了更高的要求。通過對產品的應力損傷分析、故障分析和技術條件分解等基于故障預測技術的方法，同時依靠物理仿真分析，使發電機控制器的可靠性，能夠在發電機控制器的研發論證階段就與產品的性能設計相結合，實現可靠性與性能設計的有效相統一。

關鍵詞：數字化平臺；發電機控制器；可靠性；優化設計；故障預測技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN97 文章編號：1009-2374（2016）12-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.010

在飛機電源的眾多組成部分當中，發電機控制器顯得尤為重要，是飛機電源系統的控制中心。發電機控制器能夠對電流、電壓、頻率進行監測，以此來達到保護和控制電源系統的目的，并且能夠精準監控電源系統的工作狀態。本文將針對飛機電源系統的客觀需求，基于數字化研發平臺，提出發電機控制器可靠性優化設計的實施方案，并為工程的進一步提供基本的結構框架。

1 發電機控制器功能

發電機控制器主要有調壓、控制和保護三大主要功能。隨著時代發展，發電機控制器的功能也逐漸增多并完善，如故障檢測與隔離、數據通訊等功能。下面筆者將對各項功能進行逐一介紹：

1.1 電壓調節功能

調節系統輸出電壓是發電機控制器的一個重要功能，主要由電壓調節器來完成工作。電壓調節器由檢測、比較、放大和執行環節組成，有時還要補償和校正環節。其主要功能有：第一，調節交流發電機的勵磁電流，達到穩定電壓的目的；第二，避免負載短路時發生事故；第三，限制發電機輸出電流；第四，限制最高電壓，使其保持在電壓峰值以下，避免設備損壞；第五，當三相電壓檢測線路故障時，限制勵磁電流，以免損壞設備。

1.2 控制功能

控制功能也是保證發電機控制器正常運行的重要功能，控制功能主要是控制相應的接觸器、繼電器，使其穩定運行，保證發電機和負載的通斷以及轉換得以完成。控制功能主要有發電機勵磁控制、接觸器控制、轉換控制三個環節：第一，發電機勵磁控制，勵磁控制是保證發電機正常工作的必要條件，此外發電機控制器還要完成滅磁的工作；第二，接觸器控制功能，主要是實現GCB（發電機輸出接收器）、BTB（匯流條連接接觸器）、GCR（勵磁控制繼電器）的通/斷控制；第三，轉換控制，轉換控制又包括電源接入控制和雙通道轉換控制。電源接入控制要遵循三個基本原則，即地面電源優先原則、機上電源優先原則、隨機優先原則，即誰先投入，誰先工作。雙通道轉換控制，如果飛機不并聯交流電系統正常工作，每臺交流發電機將會分別供電，如果系統出現故障，發電機和匯流條件將會進行轉換。

1.3 保護功能

對電源系統、發電機和用電系統實現有效的保護和自我檢測，也是發電機控制器的一個重要功能。保護功能會針對不同的故障和異常情況來選擇不同閾值以及延遲時間，并根據故障等級與控制盒共同實現隔離故障。通過保護功能還能將故障信息保存在NVM（非丟失性存儲器）中，便于找出故障進行維修。

1.4 故障隔離功能

電源系統出現故障十分常見，異常的輸出將會逐層傳播，直至達到最高級，以致改變整個系統的輸出狀態。所以發電機控制器不僅需要檢測故障，而且要在故障發生后，能及時發現，并將故障進行隔離，才能保證電源系統安全運行。

1.5 通訊功能

在日常地面維護和飛行當中，發電機控制器將會通過通訊接口與非航空電子監控處理機來完成通訊工作，從而達成信息交換—接收NAMP（非航空電子監控處理機，Non-Aerial Monitoring Processor）的命令，完成相應要求。通過這一系列動作，通訊功能將會把電源系統的狀態以及故障信息傳達給NAMP。

2 基于故障預測技術的可靠性仿真分析流程

2.1 某型號發電機控制器電子單元的設計改進案例

某型號發電機組成及其結構。該發電機控制器主要由一個專用安裝架和一個外場可更換單元構成，各功能電子模塊主要包括調壓模塊（PWM）、電源模塊（PS）、模擬量輸入采集模塊（AIN）、離散量輸入采集/輸出控制模塊（DIO）、處理器模塊（DSP）、濾板模塊（RFB）和母板（MB）。如圖1所示：

母板與機箱之間采用螺釘進行連接，與電子模塊則用插槽連接器連接，并將各個模塊用鎖緊螺栓固定；在機箱的結構上采用封閉模式，以自然通風進行冷卻。在機箱與安裝架之間，前段使用鎖緊組件，后端使用定位椎銷，用以提高產品安裝的可靠性。

2.2 產品可靠性仿真分析及可靠性設計優化

2.2.1 產品的載荷分解和應力分析。首先要對發電機控制器進行熱分析，主要是針對產品內部環境和電子模塊及電子模塊自身功耗。通過FLOTHERM5.1進行熱分析，發現散熱不好的區域，在以后的開發設計中，要更多地考慮該區域的散熱問題，并且不要把易熱器件裝置在該區域，或者通過研發，設計出更先進的散熱技術，保證發電機控制器穩定運行。在發電機控制器的眾多器件當中，通過對器件的熱力感應，可以使設計人員根據器件的過熱應力，判斷出眾多器件、模塊的狀態。如果存在溫度高于175℃或在過熱應力大于1的情況下，那么該器件就會暫時停止工作，保證發電機控制器運行穩定。通過掌握發電機控制器的溫度分布情況，使設計人員對傳熱情況有更好的了解，為以后的開發設計奠定基礎；其次是要對機械強度進行分析，主要分為整機震動分析和零件疲勞分析。在整機震動分析時，要采用三個方向進行分析，即X向、Y向、Z向，其結果是Y向的應力值最大，為81.2MPa（見表1）：

在零件疲勞分析時，主要通過動力學的應用來判斷在震動過程中每個零件所受到的應力大小；并運用MSCFATIGUE軟件對零件疲勞進行分析，將發電機控制器各個零件的預測壽命進行量化分析，便于維修人員及時發現，對零件進行更新，避免故障發生，保證發電機控制器穩定運行。

2.2.2 產品可靠性設計及其優化。首先要對AIN模塊的熱設計進行改進，對AIN模塊上的器件做出有效調整，保證其有良好的散熱狀態。在設備上安裝導熱膠、冷板等裝置，將熱量傳導至發電機側箱，然后以自然散熱的方式將熱量傳導至發電機之外；其次要在發電機控制器的結構可靠性上進行優化。如在發電機控制器的制造材料，各部件的焊接效果等方面進行優化，提高發電機控制器的整體剛度，通過一系列結構優化措施，可以有效防止因外部震動對發電機控制器造成的損害。在鎖鉤的改進上：首先，在鎖鉤彎曲處可以將其設計成圓角，避免受力過于集中；其次，在鎖鉤的制造材料上，則采用先進的合金，使鎖鉤具有較強的機械性能；最后，對鎖鉤進行熱處理，提升其性能。在底座銷釘的優化設計上，同樣要采用先進的合金結構鋼進行熱處理，以提高其的綜合使用性能。表2為運用MSCFATIGUE軟件對改進前和改進后的鎖鉤壽命分析（單位：h）：

3 軟件開發與設計

數字化平臺的發電機控制器所要實現的各項功能、隔離故障等其他功能都要通過軟件設計來實現，所以說，軟件的設計與開發是發電機控制器設計的關鍵。通過相應軟件開發平臺，可以對各種類型的飛機電源系統進行參數配置，系統也可以更便利地升級與維護。

3.1 軟件設計的總體結構

數字化平臺的發電機控制器有著相當的優越性，而其優越性又要通過軟件設計來實現。在軟件的開發與設計當中，要采用模塊化的設計方法，根據發電機控制器所要完成的工作任務，將發電機控制軟件劃分為主程序和中斷服務程序。主程序與中斷服務程序各有分工，從而提高電源系統運行的可靠性。

3.2 系統初始化模塊

系統初始化在系統上電進行復位時，CPU就會執行上電初始化和系統初始化模塊，主要功能檢測EPROM和保護程序所使用RAM是否完好，對發電機控制器進行整體

優化。

3.3 系統軟件的可靠性設計

電源系統的抗干擾能力不能僅依靠硬件系統，軟件的設計與開發同樣重要。而且發電機控制器的工作環境十分復雜，特別容易受到干擾，因此提升系統軟件的可靠性十分重要。為了保證電源系統的穩定性，可以采取以下措施：首先，對硬件部分和易損壞系統進行實時監控，在檢修時有可靠依據；其次，提升軟件抗干擾能力，保證程序區不會受到干擾和侵害；最后，保證RAM中的重要數據安全，并能及時備份，在數據丟失的情況下，能夠得到及時恢復。

4 結語

發電機控制器是飛機發電機的重要組成部分，其可靠性將會影響到發電機的正常工作。因此，我們有必要基于數字化平臺，通過熱分析、機械強度和疲勞分析、壽命分析等多個方面對發電機控制器進行優化設計，提升其可靠性。

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（責任編輯：黃銀芳）