基于直升機電氣負載自動管理系統負載通道故障分析

于浩

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333000）

0 引言

電氣負載管理中心是配套于直升機電源系統的機載產品，其主要功能是接收負載監控器控制指令，上傳負載狀態信息完成直流正常匯流條、直流應急匯流條和交流電源至各負載的供電分配功能，電氣負載自動管理系統由1臺負載監控器和2臺電氣負載管理中心組成。電氣負載管理中心替代率以斷路器和繼電器為核心的傳統配電裝置，是以固態配電技術為基礎的新一代配電產品，實現了二次配電的遠程區域自動管理，并具有過流保護、短路保護的功能[2-6]。

1 故障分析

在地面通電時對負載監控器進行負載接通操作，負載狀態顯示中，偶爾出現通道無法接通，且通道狀態顯示反應遲緩現象，通過對原理電路進行分析，得出故障樹如圖1所示。

圖1 SSPC通道短路保護故障樹

通過分析出現故障的原因可能為：(1)負載監控器操作面板按鍵故障；(2)負載監控器通訊電路故障；(3)電氣負載管理中心SSPC通道故障；(4)電氣負載管理中心RS422收發器異常；(5)電氣負載管理中心板卡單片機通訊異常。

為使故障準確定位，對上述5點原因進行排除分析。

1.1 負載監控器面板按鍵檢查

在不通電的情況下檢查負載監控器控制面板按鍵，查看是否有按下后無法彈起的情況，通過多次按壓周邊所有按鍵，發現按鍵都能正常彈起，排除了按鍵機械故障導致主控芯片無法識別到按鍵操作的原因。

地面通電進行故障排查，對所有負載通道依次進行開通操作（此操作會按壓到面板上的所有按鍵）發現，有負載通道需要按壓多次后才能顯示開通狀態，狀態顯示緩慢，但這些負載通道對應的按鍵在其他負載界面，按壓開通時，對應負責狀態返回及時，無顯示緩慢現象，有時重啟后，緩慢現象可以消除，主控芯片可以識別到按鍵操作，排除了按鍵觸點無法接觸的故障原因。

1.2 負載監控器通訊電路檢查

負載監控的背板為一電磁兼容組件，所有引線通過小容值的穿心電容連接到插頭，穿心電容的屏蔽層連接到外殼，避免電磁干擾，如圖2所示。若通訊線所接的穿心電容損壞或出現異常，將會導致通訊的波形出現畸變，出現數據丟包或通訊異常現象，正常情況下，所有針腳對外殼的電阻值應趨近于無窮大，如出現異常或損壞，針腳對外殼可以測得一個電阻值，取下負載監控器后用萬用表進行測試，發現針腳對外殼的電阻均為無窮大，可以排除穿心電容損壞導致通訊電路故障的原因。

圖2 背板示意圖

將負載監控背板取下后靜態觀察器件焊接情況，發現焊接焊點良好，無虛焊漏焊問題，管腳之間沒有發現多余物，排除了焊接問題對通訊電路帶來的影響。

為了能夠進一步縮小故障定位范圍，確定故障原因，更換一臺新的工作正常的負載監控器進行多次地面通電試驗，故障顯現依舊存在，至此可以排除負載監控故障原因，故障定位到電氣負載管理中心。

1.3 電氣負載管理中心SSPC通道檢查

根據反饋，除狀態顯示緩慢外，有時自動打開負載通道后，偶爾負載監控上“吸氣風扇”等負載通道或僅“吸氣風扇”負載通道顯示任然為關斷狀態，重新上電后有時狀態顯示能恢復正常，至此可以判斷出SSPC通道的狀態識別電路正常。

多次進行負載接通操作后，故障現象出現，“一發滅火”、“二發滅火”等負載通道顯示狀態為關斷，通過用萬用表在電氣負載管理中心接口上實際測量，可以檢測到28V電壓輸出，由此可以判斷SSPC通道的功率器件和驅動電路均是正常的，且能夠正常接收到負載監控器的控制指令，打開負載通道，故障原因應為負載管理中心回傳的RS422信號出現異常，監控器無法正常接收到上傳的狀態信號導致的故障。

1.4 氣負載管理中心RS422通訊總線檢查

電氣負載管理中心由11塊SSPC組件板卡構成，每塊組件板卡上都有1顆RS422通訊芯片，如通訊芯片損壞，那么此板卡上的所有通道都應該無法接通，或狀態顯示都無法回傳。但實際故障情況只是某一塊板卡上的一路或幾路通道狀態信息無法回傳，其余通道狀態信息能正常回傳，且通道都可以正常接通，因此可以排除RS422收發器故障原因。

通過上述故障排查，且可以排除掉負載監控器下發的控制指令不正確原因，我們可以定位到板卡單片機異常，偶爾處于不停復位或長期復位狀態，復位時無法對板卡的RS422芯片進行控制，復位時導致負載管理中心的發送總線被占用，無法正常進行指令回傳而造成的狀態顯示緩慢和開通狀態無法回傳的故障現象，通過偶爾出現僅“吸氣風扇”負載通道顯示為關斷狀態，我們定位到該板卡的單片機復位信號異常。

2 故障復現及定位

2.1 板卡周期性復位試驗

將“吸氣風扇”所在板卡的喂狗信號去掉，使該板單片機周期性處于復位狀態，用負載監控器控制管理中心進行通道開通操作，出現負載通道按下開通按鍵后，負載開通狀態回傳緩慢現象，且“吸氣風扇”負載通道無法開通，故障現象得到復現。

2.2 板卡不間斷復位試驗

將“吸氣風扇”所在板卡的復位信號和3.3V短接，使該板卡單片機一直處于復位狀態，用負載監控器控制管理中心進行通道開通操作，出現負載開通狀態無法回傳，但負載管理中心執行開通操作，在接口上可以測到輸出電壓和機上故障狀態一致。

2.3 故障定位

通過上述測試，對板卡進行周期性復位試驗和不間斷復位試驗，出現的故障現象和機上一致，故障問題得以復現。通過上述試驗及分析，故障可以定位為“吸氣風扇”所在板卡的單片機處于周期性復位或不間斷復位狀態，復位時無法對RS422通訊芯片進行控制，使得該發送總線周期性或一只處于占用狀態，無法正常進行指令回傳而導致的故障現象。

3 機理分析

RS422通訊總線工作原理如圖3所示。

從圖3中可以看出，電氣負載管理中心11塊SSPC組件板卡的RS422通信芯片全部掛接在同一條RS422通訊總線上，每塊板卡上RS422通訊芯片的控制原理和電路方式一致，由圖中可以看出，由于電氣負載管理中心為下位機，實時被動的接收負載監控器下發的控制指令，因此芯片的接收使能端接地，處于一直使能狀態。

圖3 RS422通訊總線工作原理

而同一時刻只能有1塊板卡的RS422芯片占用發送總線，否則會造成數據紊亂，因此每塊板卡的RS422芯片發送控制端通過單片機P3.5引腳進行控制，高電平發送使能RS422總線(TXD-和TXD+處于被占用狀態)，低電平禁止發送使能RS422總線(TXD-和TXD+處于空閑狀態)，所有單片機上電復位完成后對芯片進行初始化，P3.5引腳輸出低電平使RS422總線的發送端處于空閑狀態。

當接收到負載監控器下發的控制指令后，每塊板卡對指令進行解析，正常情況下同一時刻只會有一塊板卡的RS422通信芯片占用發送總線，上傳負載通道狀態等信息，并且在上傳完成后恢復發送總線通道空閑。

單片機為高電平復位，且復位的時候所有引腳輸出為高電平，即復位時P3.5為高電平，TXD+、TXD-總線處于被占用狀態，因此在電氣負載管理中心正常上傳負載狀態信息的過程中，如某一塊板卡的單片機異常復位，那么此時將出現同一時刻TXD+、TXD-總線同時被兩路RS422通訊芯片占用，發送的數據將會異常，負載監控器無法正常解析，因此無法顯示負載狀態，但如下一個或幾個查詢周期異常復位的單片機恢復正常，電氣負載管理中心能正常上傳負載狀態信息，開通的負載狀態信息延遲一個或幾個周期重新上傳顯示，這樣就造成了開通狀態顯示緩慢的情況。如果在整個查詢周期異常復位的單片機一直處于復位狀態，一直占用發送總線，那么會造成狀態顯示一直無法更新，但實際接口上已經輸出電壓的故障現象。

為復現故障，并做了以下故障復現試驗：板卡復位試驗。試驗結果為出現顯示緩慢和狀態顯示無法接通現象，故障復現。

4 糾正措施

通過在機上取下“吸取風扇”所在的板卡，多次進行地面通電試驗，除“吸取風扇”所在板卡的負載通道，其余負載通道無接通狀態顯示緩慢情況，且所有通道能夠正常開通。

取下板卡后我們認真分析故障原因，圖4為單片機復位電路原理圖，復位信號通過三級管Q1的C極輸出RESET信號，正常工作時RESET信號為低電平。

圖4 復位電路原理圖

正常通電時測試三極管RESET輸出為低電平，控制極為高電平，三極管導通處于工作正常，輕微按壓三極管，RESET信號會變成3.3V，單片機復位，通過觀察板卡發現，三極管的焊接未按照正常工藝，完全貼合在印制板上，取下三極管后發現三極管的外殼已將印制板的阻焊層刮破，露出銅線，通過實際測試，三極管的外殼和E極（發射極）處于連通狀態，而刮破的銅線為三級管的B極（控制極），當板卡安裝到電氣負載管理中心，通過鎖緊器固定板卡時，印制板會有輕微形變，導致了外殼刮破銅線（E極和B極處于臨界短路狀態），短路時造成三極管關斷，RESET輸出高電平造成單片機復位，我們取下三極管后按照工藝要求重新進行焊接，按壓三極管，印制板工作正常。

正常的工藝焊接流程為：三極管焊接時，三極管距離印制板高度應留有1~2mm間隙，如圖5所示。且完成調試后，對其進行三防和灌封處理。

圖5 三極管焊接實物圖

針對上述故障原因，主要采取以下措施：在《工藝規程》中對每塊印制板三極管的焊接要求做明確規定，明確要求三極管離印制板的高度，并設置交檢項，質檢人員嚴格按照焊接要求進行檢查。

5 驗證試驗

針對上述故障，將電氣負載管理中心備件重新進行了72小時不間斷高低溫試驗和隨機振動試驗，且在試驗過程對負載通道每30分鐘進行一次負載接通、關斷操作，并觀察負載狀態顯示情況，整個試驗過程中產品工作正常，試驗結束后質量部對其進行了重新驗收，產品功能性能滿足要求。并對其進行裝機驗證，將備板裝配到直升機上，通過多次地面試驗，負載開通狀態信息無顯示緩慢現象，且所有負載通道都能接通，確認電氣負載管理中心正常工作。

6 結論

負載監控器上，負載狀態顯示通道無法接通，接通狀態顯示反應遲緩，故障定位為“吸氣風扇”所在板卡的單片機處于周期性復位或不間斷復位狀態，復位時無法對RS422通訊芯片進行控制，使得該發送總線周期性或一只處于占用狀態，無法正常進行指令回傳而導致的故障現象。改進措施有效，經過地面通電和飛行驗證，確認電氣負載管理中心可重新正常工作。