通用飛機電源系統(tǒng)測試平臺設(shè)計

徐宇恒，呂偉，胡天翔

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618300）

0 引言

通用航空是使用民用航空器從事公共航空運輸以外的民用航空活動，通用機型是數(shù)量最大，用途最廣泛的機型，在國民經(jīng)濟中起著非常重要的作用。通用飛機電源系統(tǒng)是機載電氣設(shè)備的一個重要組成部分，承擔(dān)了向飛機上的所有用電設(shè)備供電的任務(wù)。現(xiàn)代飛機裝備了大量的用電設(shè)備，它們對電源的供電品質(zhì)提出了越來越高的要求。因此在維修工作中，電源系統(tǒng)測試技術(shù)成為保障設(shè)備安全運行的一個重要因素[1]。傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)部件的測試都是采用模擬儀表對各電能參數(shù)進(jìn)行檢測，如指針式電壓表、電流表、功率計等，但這些測試方法不夠精確，無法記錄瞬態(tài)響應(yīng)，不能真實全面地反映電源參數(shù)。本測試平臺利用LabVIEW仿真軟件，使用虛擬儀器技術(shù)，可以精確快速地檢測飛機電源系統(tǒng)部件的各種品質(zhì)參數(shù)，同時顯示并記錄在測試計算機上。

1 硬件設(shè)計

本測試平臺需要先搭建一個模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)動的驅(qū)動裝置，可以真實地模擬出通用飛機發(fā)動機各種啟動運行狀態(tài)，其次要建立各種電源參數(shù)的測試記錄系統(tǒng)，采集在各種條件下電源系統(tǒng)各個部附件的狀態(tài)參數(shù)并能加以分析，本文主要對電源系統(tǒng)中的發(fā)電機做了品質(zhì)測試，因為發(fā)電機的性能對飛機電源系統(tǒng)非常重要[2]。該硬件系統(tǒng)包括三相變頻器、三相異步電動機、航空發(fā)電機、電壓電流傳感器、NI公司生產(chǎn)的CompactDAQ采集卡、測試計算機等。

1.1 通用飛機發(fā)動機模擬驅(qū)動裝置

本裝置采用三相380V交流電作為驅(qū)動電源，驅(qū)動三相變頻器，根據(jù)一般通用飛機發(fā)電機功率，選用7.5KW變頻器，變頻器驅(qū)動三相異步電動機，電動機與航空發(fā)電機由皮帶輪通過皮帶傳動連接，該裝置由電動機驅(qū)動航空發(fā)電機，電動機可以通過變頻調(diào)速模擬出通用飛機發(fā)動機各種轉(zhuǎn)速狀態(tài)。電源系統(tǒng)的各個部附件可以連接航空發(fā)電機帶上模擬負(fù)載運行，模擬各種用電條件下的電源運行狀況。針對通用飛機的交、直流發(fā)電機轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍寬的特點，采用高速寬調(diào)頻范圍三相異步電動機直接拖動被測發(fā)電機，中間不加變速器，使拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，機械維護方便，提高運行的可靠性。

1.2 傳感器模塊

傳感器模塊包括電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等。由傳感器將信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)隔離電路及信號調(diào)理模塊進(jìn)行整形、放大、濾波等調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集卡。其中電壓電流傳感器可以將電源系統(tǒng)部附件的交流和直流信號轉(zhuǎn)化為低壓低電流的信號，最后傳遞給CompactDAQ采集平臺。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是計算機和外部設(shè)備連接的橋梁，將模擬信號轉(zhuǎn)化為計算機可以讀取的數(shù)字信號。本系統(tǒng)采用的是NI的CompactDAQ采集卡，它將連接和信號調(diào)理功能與模塊化I/O相集成，可直接連接任何傳感器或信號。CompactDAQ機箱具有一個總線供電的USB機箱，專為小型便攜式傳感器測量系統(tǒng)而設(shè)計。可以將這些機箱與C系列I/O模塊共同使用，以創(chuàng)建模擬I/O、數(shù)字I/O和計數(shù)器/定時器測量的組合。CompactDAQ機箱可包括多個通用計數(shù)器/定時器，可以通過安裝的硬件定時數(shù)字C系列模塊訪問這些計數(shù)器/定時器，用于涉及正交編碼器、PWM、事件計數(shù)、脈沖序列生成以及周期或頻率測量的應(yīng)用。CompactDAQ機箱還提供多個定時引擎，可針對模擬輸入以獨立的速率同時運行多個硬件，NI的CompactDAQ采集卡如圖2所示。

圖2 NI-CompactDAQ數(shù)據(jù)采集卡

2 軟件設(shè)計

該測試軟件采用LabVIEW2014進(jìn)行開發(fā)，結(jié)合NI MAX即NI的配置管理軟件（Measurement&Automation Explorer），通過裝入NI數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品驅(qū)動DAQmx，NIMAX可以識別和檢測NI硬件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并自動導(dǎo)入LabVIEW，可方便的將PC與NI硬件產(chǎn)品交互。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信號處理，通過設(shè)計濾波算法，數(shù)據(jù)處理算法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，輸出測量數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行實時顯示，可以記錄故障報警值并自動生成Excel報表。由于基于虛擬儀技術(shù)開發(fā)的檢測分析系統(tǒng)平臺能充分利用計算機的軟硬件資源，能較大地突破傳統(tǒng)儀器在信號分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等方面的限制，同時還具有很強的開放性和靈活性[3-6]。圖3為通用飛機電源系統(tǒng)測試軟件流程圖，運行時首先進(jìn)入程序，選擇電源系統(tǒng)部件和需要測試的參數(shù)，然后開始測試并輸出結(jié)果，如果還需要測試其他項目則需要返回項目選擇項，重新選擇需要測試的參數(shù)，最后測試結(jié)果會以圖形和報表的形式輸出。

圖3 通用飛機電源系統(tǒng)測試軟件流程圖

3 監(jiān)控平臺實驗結(jié)果和分析

通用飛機電源系統(tǒng)的被測試部件可以是直（交）流發(fā)電機、電壓調(diào)節(jié)器、反流割斷器、過壓保護器和航空蓄電池等。在測試平臺上連接電源和負(fù)載后，根據(jù)機務(wù)維護手冊對這些部件的測試要求，檢測其電壓、電流、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)，可以深入探查電源系統(tǒng)各部件的缺陷和隱患。本測試系統(tǒng)檢測了PA44-180飛機的發(fā)電機，根據(jù)PA44-180飛機廠家關(guān)于電源系統(tǒng)發(fā)電機的幾個測試要求，利用搭建的測試平臺對發(fā)電機做了以下測試。

（1）發(fā)電機轉(zhuǎn)子測試：傳統(tǒng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子的檢測方法是給轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)一個電池和變阻器，電壓表和轉(zhuǎn)子并聯(lián)，電流表和轉(zhuǎn)子串聯(lián)，調(diào)節(jié)變阻器的阻值使得電壓表的讀數(shù)為12V，然后查看電流表的讀數(shù)是否在2.4A到4.0A范圍內(nèi)，如果是則轉(zhuǎn)子正常，反之轉(zhuǎn)子存在故障。由于這種傳統(tǒng)的測試方法需要人工用儀表檢測記錄，工作量大，誤差大，效率低。

基于LabVIEW的測試平臺檢測電氣參數(shù)方便快捷，電壓、電流信號輸入CompactDAQ采集卡，Compact-DAQ采集卡輸出數(shù)據(jù)至計算機，最終采集出來的數(shù)據(jù)在LabVIEW軟件的虛擬儀器面板顯示出來。圖4是檢測出的轉(zhuǎn)子的直流電壓和直流電流參數(shù)，從圖中可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓12V時轉(zhuǎn)子電流為3.2A，所以轉(zhuǎn)子的這項檢測正常。

圖4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓、電流測試圖

（2）發(fā)電機輸出電壓測試（低轉(zhuǎn)速）：根據(jù)測試要求令發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3000rpm，負(fù)載兩端電壓調(diào)至直流14V，然后需測試其負(fù)載電流，當(dāng)負(fù)載電流大于直流33A才是正常的。

利用已經(jīng)搭建好的模擬發(fā)動機的驅(qū)動平臺與PA44-180飛機的發(fā)電機相連，利用驅(qū)動平臺變頻器來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速傳感器輸出發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號，發(fā)電機定子輸出端與負(fù)載變阻器連接，發(fā)電機電壓、電流、轉(zhuǎn)速信號輸入數(shù)據(jù)采集卡CompactDAQ，然后輸出數(shù)據(jù)至計算機，計算機上顯示出電壓、電流和轉(zhuǎn)速的值。調(diào)節(jié)變頻器使發(fā)電機轉(zhuǎn)速值為3000rpm，調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電壓為14V，然后觀測此時虛擬儀器顯示電流的讀數(shù)，通過圖5可以知道此時電流為42A，所以發(fā)電機的這項檢測正常。

圖5 發(fā)電機轉(zhuǎn)速3000rpm時負(fù)載電壓和電流

（3）發(fā)電機輸出電壓測試（高轉(zhuǎn)速）：根據(jù)測試要求令發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6000rpm，負(fù)載兩端電壓是直流14V，然后需測試其負(fù)載電流，當(dāng)負(fù)載電流大于直流57A才是正常的。

利用已經(jīng)搭建好的模擬發(fā)動機的驅(qū)動平臺與PA44-180飛機的發(fā)電機相連，連接方式和低轉(zhuǎn)速下發(fā)電機輸出電壓測試方法相同。調(diào)節(jié)驅(qū)動平臺使得計算機上顯示的轉(zhuǎn)速值為6000rpm，調(diào)節(jié)負(fù)載變阻器使得計算機上顯示負(fù)載電壓為14V，然后觀測此時計算機上電流的讀數(shù)為多少。通過圖6可以知道此時負(fù)載電流為67A，所以發(fā)電機的這項檢測結(jié)果正常。

圖6 發(fā)電機轉(zhuǎn)速6000rpm時負(fù)載被測電壓、電流圖

通過以上實驗可以看出，通用飛機電源設(shè)備接入本測試系統(tǒng)后，可以利用本測試平臺方便、快捷和精確地測出維修檢測所需要的各種性能參數(shù)，同時可以記錄這些參數(shù)，輸出測試報表。

4 結(jié)語

本文主要闡述了通用飛機電源測試平臺的搭建和檢測方法，該平臺可以長時間運行，測試出電源系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)，適用于內(nèi)場維護工作中對通用飛機電源系統(tǒng)性能的自動測試。通過平臺對飛機發(fā)電機品質(zhì)參數(shù)的測試表明，該平臺具有測試方便、測試結(jié)果準(zhǔn)確、測試速度快，能自動記錄測試結(jié)果等特點，有利于提高飛機電源品質(zhì)檢測的效率。這套測試系統(tǒng)已投入使用，由于其運用方便且可靠性高，受到了維修人員的一致好評。