基于LabVIEW的飛機發電機控制器測試系統設計

張 佳

（西安航空學院 電子工程學院，西安710077）

飛機發電機控制器是飛機電源系統的關鍵部件， 隨著多電飛機甚至全電飛機的出現與發展，飛機發電機控制器所承擔的作用愈發重要。飛機發電機控制器是控制和保護飛機電源系統的核心，對飛機供電系統的可靠穩定工作具有非常重要的作用。

飛機發電機控制器是飛機電源系統的重要組成部分，是實現電源正常供電的重要環節。其主要功能是在自動控制設備及手動操作的協調配合下，控制發電機的勵磁回路導通， 進而能夠正常發電。在發電機發出的電能質量能夠滿足要求的情況下，控制器控制發電機向負載設備供電；在飛機供電系統中某部分出現故障時， 控制器能夠隔離故障部分，同時對電網進行重構，從而保證重要設備的不間斷供電[1]。

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

圖1 飛機發電機控制器Fig.1 Aircraft generator control unit

1 飛機發電機控制器工作原理

飛機發電機控制器是具備部分環節控制功能的智能設備，其在功能和結構上具有獨立性，不受供電系統處理機的控制，僅向供電系統處理機輸出對應的發電機通道的工作情況。發電機控制器的功能包括對發電機進行調壓、發電通道的控制及保護。發電機控制器從內部結構來看是一種數字式設備[2]。其能夠進行啟動機內自測試BIT （built in test）、運行BIT 和維護BIT， 還能夠對發電通道進行故障判斷以及對通道狀態信號進行傳輸。

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

在飛機電源系統的發電和供電環節中，控制對象主要有5 個：

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

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

3）匯流條聯接斷路器BTB（bus tie breaker）——控制各臺發電機匯流條與聯接匯流條（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供電或發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。飛機在地面作業或啟動發動機時，可由地面電源通過機上的地面電源插座向機上負載供電。

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，由其傳動的發電機可以在地面或空中向機上負載供電[4]。

除以上控制對象外，在電源配電系統中還有大量的接觸器、繼電器需要進行通、斷控制，以實現對不同負載的供電和出現故障時的電網重構。該型飛機發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、工作速度快等優點，已廣泛應用于大中型飛機的電源系統上。飛機發電機實現了飛機電源系統的智能化控制，提高了電源系統的可靠性和可維護性。

2 建立測試系統的意義

飛機電源系統在工作時會發生各種不同的故障。比如系統構成模塊的故障、供電線路的故障等。故障的出現形式也多種多樣，如過/欠壓、短/斷路、過/欠頻及電壓不平衡、不穩定等。對出現的故障應盡快采取對應的措施進行保護，否則將出現供電異常，甚至導致火災等嚴重情況[5]。

鑒于故障類型繁多，所以應依據每種故障對供電系統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，使發電機滅磁并與電網隔離；而有些故障只需要斷開發電機的輸出，無須斷開GCR。此外，不同故障對電源設備或負載造成的危害程度也不一樣，為了既不造成誤動作，又不會損壞設備，故障保護電路一般都要設置一定的延時。

在飛機上單臺發電機供電系統中的故障保護項目主要包括：

過電壓OV（over voltage）；

欠壓UV（under voltage）；

饋線及發電機內部短路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）；

永磁發電機PMG（permanent magnetic generator）短路；

旋轉整流器RR（rotating rectifier）短路；

電壓不穩定SP（stability protection）；

電壓不平衡或開相OP（open phase）保護；等。

在多臺發電機并聯供電系統中，還設有過勵磁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，具體應根據飛機的用途及性能、產生故障的可能及危害、 供電質量要求等因素決定取舍。在此所針對的飛機發電機控制器測試設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 測試系統的設計

控制器測試系統的測試目標和過程是：將控制器與發電機脫開，利用測試系統的電源模擬發電機輸出和發電機勵磁電壓輸出，人為設置各種故障信號，施加于控制器的輸入回路，實現飛機發電機控制器的過壓、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規范的要求。

根據控制器測試的要求， 對測試系統進行設計。為了使測試系統安全、可靠、穩定運行，各功能模塊應具有獨立架構，互不影響，各組成部分設計應符合人機工程原理，操作方便、可靠，可維護性強，外觀整潔美觀，環境污染少。根據測試需要，依據不同的測試功能標準進行劃分。該測試系統應具備的特點有：①模塊化結構，集成度高，可擴展性好；②獨立化設計，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數據可存儲，支持在線處理和分析。

總體來看，測試系統可以分為硬件和軟件兩大部分。

3.1 測試系統硬件設計

測試系統硬件采用PXI 及PXI Express 總線作為板卡數據交換用總線，測試系統工控機選用美國國家儀器（NI）公司的PXIe-8840 控制器結合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準的I/O 特性，是一個3U 規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 控制器的標準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 個以太網口，1 個復位按鈕和1 個PXI 觸發端口。

NI PXIe-1082 機箱是結合了高性能8 插槽的PXIe 背板， 具有高輸出功率和模塊化設計的特點，能夠在廣泛的領域應用。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 硬件標準，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。

對飛機發電機控制器進行測試時，需要利用測試系統的電源模擬發電機輸出和發電機勵磁電壓輸出，人為設置各種故障信號，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， 由電子電力元件構成功率輸出模塊。中頻靜變電源內部具有數字分頻、鎖相、波形瞬時值反饋、SPWM 脈寬調制、IGBT 輸出等技術和功能，具有負載適應性強、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備而設計的400 Hz 中頻電源，可為飛機與機載設備、雷達、導航等軍用電子設備供電，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、連接和測試串行協議的應用場景而設計。它包括一個Xilinx Kintex7 FPGA，用于實現各種高速串行協議， 而且可通過LabVIEW FPGA 進行編程，以針對特定應用實現最大程度的自定義性和復用性。PXIe-6592 包含了多個FPGA 數千兆位收發器以及多達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，正常狀態下控制器應在指標要求延時時間內輸出故障信號。該故障信號是一個28 V的數字輸出信號， 當控制器未檢測到電源故障，其輸出高電平；當控制器檢測到電源故障，其輸出低電平。為檢測飛機發電機控制器輸出的故障信號，選用NI PXI-6511 數字IO 卡采集故障數字信號。

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 數字I/O 模塊設備。此外，PXI-6511 還支持8 通道組內光學隔離，高達DC 30 V 的組至總線和組間光學隔離， 能夠保證工業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。測試系統硬件結構如圖3所示。

圖3 測試系統結構Fig.3 Test system

3.2 測試系統軟件設計

測試系統軟件是在Windows 7 操作系統環境下采用NI 的LabVIEW 平臺開發。為滿足對飛機發電機控制器測試的需求， 并且符合用戶使用習慣，測試系統軟件設計時應掌握以下要點：

1）當選擇測試方式時，開始進行相關的測試流程，引導用戶根據測試提示進行手動操作；

2）當選擇自動測試時，要求“控制器測試按鈕”和負載開關全部切換至關閉位；

3）當單擊保存時，相應的數據自動寫入到數據記錄模板中的對應位置，作為試驗報告。

測試系統軟件設計時采用基于事件的生產者/消費者設計模式，利用LabVIEW 的事件結構+多線程技術為框架實現用戶要求的功能。軟件界面如圖4所示。

圖4 測試系統軟件界面Fig.4 Test system software interface

事件是指多活動發生的異步通知。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點擊（單擊、雙擊）、鍵盤按鍵、窗口（關閉、縮小）等動作。LabVIEW 中相應這些事件最常用的結構就是“事件結構”。事件結構在程序不能夠單獨響應各種事件，必須與循環結構一同使用。在設計中，利用事件結構生成事件數據，依次插入事件消息隊列。當點擊“關閉”按鈕時，生成關閉事件，由于該事件具有高優先級， 因此在生成關閉事件后，將其插入當前隊列的最前端。事件生成循環程序框圖如圖5所示。

圖5 事件生成循環程序框圖Fig.5 Event generation loop block diagram

用戶界面上的產生的事件插入事件消息隊列后，在另一個線程的While 循環中對隊列中的事件進行處理。循環開始后首先取出隊列最前端的事件，利用條件結構判斷其事件類型，根據事件的不同種類，分別對事件進行對應的處理。事件處理循環程序框圖如圖6所示。

圖6 事件處理循環程序框圖Fig.6 Event process loop block diagram

4 結語

利用基于NI PXI 硬件平臺和LabVIEW 軟件平臺設計的飛機發電機控制器測試系統，結合中頻靜變程控電源，能夠實現對飛機發電機控制器的測試。測試系統測試精度滿足要求，能夠將測試結果保存到文件中生成試驗報告，滿足用戶需求。所提出的飛機發電機控制器測試系統設計方法和路徑切實可行，對類似工程應用具有一定的參考價值。