源自：《測控技術》 2010年10月刊
譚 眾1 ，王武勇2
1.哈爾濱東安發動機（集團）有限公司
2.北京中科泛華測控技術有限公司 應用工程師
Implement of Surge Voltage Test-bed for Airplane Power Supply
TanZhong1，WangWuyong2
(1.AVIC Harbin DongAn Engine (Group) Corporation Ltd.), Harbin 150066, China)
Abstract: The traditional surge voltage test-bed couldn’t capture and record voltage transients, and the results are difficult to carry on statistical analysis. To overcome the above deficiency, a new set of surge voltage test-bed is developed in the paper based on VI technology, and the design of load switching circuit and surge voltage calculation algorithm based on parabolic interpolation method are presented. Practical application shows that the system has a high degree of automation and is easy to operate, at the same time the measurement result is accurate.
Key Words：Airplane power supply; Surge voltage; Parabolic interpolation method
1前言
安全可靠的航空電源是飛機在執行飛行和戰斗任務時的重要保障。衡量飛機電源品質好壞的方法是:在地面上，按照HB6448-90[1] 和GJB181-86[2]規定的測量和計算方法，對要求的各項參數進行全面測試并評定結果是否合格。一般需要測量的參數包括：靜態參數、浪涌電壓（動態電壓）、動態頻率、變速過程、電壓調制、頻率調制、波形分析、保護器動作時間測試等。
在這些參數中，浪涌電壓是反映飛機電源性能的重要指標。浪涌電壓是交流發電機在負載突加或突減時電壓變化過程，該過程持續時間約20～100ms,傳統的測試方法采用人工加載,難以捕獲瞬態變化。而該系統以虛擬儀器技術為核心，采用基于PXI總線的高速數據采集卡和數字I/O卡,通過計算機自動加減載,可實時獲得電壓變化中各時刻采樣值,并自動繪制直觀的浪涌電壓變化曲線。
2模擬負載與加載控制部分的實現
交流瞬態浪涌電壓是在交流發電機負載的突加或突減過程中產生的，因此飛機電源綜合試驗系統浪涌電壓檢測臺的模擬負載箱應能模擬飛機實際飛行中供電系統的負載組合情況，應提供多種模式的投切控制以完成供電系統的負載突加、突卸等試驗。負載的容量應能模擬系統100％負載突加、突卸，負載大小分配應合理，能滿足飛機上不同匯流條加載的需要。
2.1 模擬負載箱的組成
模擬負載包含直流負載箱和交流阻性負載箱。
-
直流阻性負載箱
模擬直流阻性負載網絡部分由兩個完全相同的負載網絡組成，輸出連接采用公共母線輸出。繼電器控制采用公共地線獨立控制。直流負載箱結構如圖1，可方便的自由
圖1直流阻性負載箱
組成1A～600A任意不同容量的負載以滿足實際測量的需求。
b．交流阻性負載箱
交流阻性負載網絡由三個獨立負載組和交流接觸器組成，以保證交流阻性負載的三相投切的同步。負載網絡的輸出連接采用公共母線排連接接線。交流負載箱結構如圖2，可提供1～110KVA三相交流阻性負載組合以滿足實際測試需要。
圖2交流負載箱
2.2負載投切控制電路的設計
由于發電機在負載突加或突減時電壓變化過程持續時間約為ms級,因此負載的投切及電壓測量通過計算機控制交直流接觸器的通斷自動進行，這就克服了以往靠人工操作造成動態過程難以捕獲的缺點，從而極大的提高了測試的準確度。根據交直流負載箱的設計要求，計算機至少應提供19路開關量信號控制負載箱控制柜中交直流接觸器的吸合，從而完成負載的自動投加。
2.2.1 DO卡的選擇
本系統需要自動控制19路負載的投/切，同時考慮到硬件擴展裕度，最終選擇了NI公司的32路數字量輸出卡NI PXI-6514。該卡輸出開關量電壓范圍為5V～35V，具有良好的隔離效果，隔離電壓可達5000V，一百多毫安的漏極電流足以驅動普通繼電器正常動作。當外接不同的負載時對應的電路圖如圖3、圖4所示。
圖3 外接阻性負載的電路
圖4 外接感性(交流)負載的電路
2.2.2 負載驅動電路
由于PXI-6514輸出的開關量信號不足以驅動負荷箱控制柜中的大功率接觸器動作，因此必須設計驅動電路。負載驅動電路如圖5所示。PXI-6514輸出的開關量直接控制繼電器通、斷，這些繼電器又進一步控制負荷箱控制柜中的大功率接觸器動作，從而完成負載自動投加或切除。
圖5 開關量輸出電路
圖中，DOOUT1～DOOUT32為DO卡輸出開關量，OUTxa、OUTxb為各繼電器常開觸點信號，D1～D32為泄流二極管。繼電器的電源及采集卡的VDD均接+24V，根據繼電器線圈電流的大小選擇R1～R32的阻值均為10KΩ。電路中的繼電器選用833H-1C-C。
當PXI-6514相應位輸出開關量為1時，相應繼電器常開觸點吸合，后級所接的大功率接觸器的觸點吸合，控制所接的負載加入。否則為0時，切除該路所接負載。
測量不同機型浪涌電壓時，PXI-6514的輸出信號根據航標HB6448—90的要求、各機型的額定負載大小以及負荷箱的實際配置情況決定。
3. 數據采集部分的實現
數據采集部分用于實現被測信號的調理和采集。相應的硬件電路包括信號調理電路和數據采集卡。
3．1 信號調理電路設計
該部分電路用于將發電機的原始輸出調理成與數據采集卡輸入相匹配的電壓信號。包括調理直流、交流電壓的幅值；將各電流信號轉換為電壓信號；預濾波和信號隔離等。對于電壓信號，通過電阻分壓把原始的電壓信號轉換成幅值在±10V內的電壓信號，為保證精度，經帶通濾波和電壓跟隨器后進入數據采集卡。電流信號先經霍爾傳感器后，再經信號調理電路進入數據采集卡。
3．2 數采卡的選型及操作
在該系統中，總共需要對23路模擬信號進行采集，且采樣速度要求較高（每通道大于80KHz[1]），但不要求各信號同步采集。為此，考慮到系統以后的可擴展性，選用了兩塊NI公司16通道高速數據采集卡PXI-6250，它單通道采樣時的最高采樣率為1.25MHz，可外接16通道單端或8通道差分輸入進行輪番采樣。此外，該卡上還帶有4095字節的緩沖用于高速信號采集，同時提供有1、10、100的可編程增益，使用起來非常靈活。
對該數采卡的操作可通過調用廠家提供的相關函數來實現。
4. 瞬態浪涌電壓的測試方法
4.1瞬態浪涌電壓的測試原理
浪涌電壓分為過壓浪涌和欠壓浪涌。求出過壓浪涌包絡線最高峰的連續最大三點或欠壓浪涌包絡線最低谷的連續最小三點，按拋物線插值法求出峰值即為過壓浪涌電壓或欠壓浪涌電壓極值。
拋物線插值法原理如下[3]：
設給定函數
，
。已知在
個互異節點
的值
。求n次插值多項式
，使滿足
（1）
為此，可構造n次插值多項式如下：
（2）
時，有
（3）
稱為二次插值（拋物線插值）多項式。幾何意義則表示通過三點
的一條拋物線。
設拋物線方程為
，已知三點 
，由拋物線插值法有 
，則
由最值定理，當
時，有最值存在。即當
時，最大值
。
因此求連續最大的三個瞬態浪涌電壓值，按縱坐標由大到小排序后，用拋物線插值法，拋物線的頂點值就是正、負浪涌電壓值
。
4.2 浪涌電壓測試流程
浪涌電壓測試時首先輸出控制信號控制負荷箱，將10％P負載突加到85％P負載或將85％P 負載突減到10％P負載，同時系統進行采樣，按單路波峰波谷采樣方式，采集并求出瞬態過程每周期的電壓峰值，將峰值電壓除以
即得瞬態浪涌電壓。求出過壓、欠壓浪涌包絡線最高峰、最低谷的連續最大三點，按拋物線插值法求出峰（谷）值即為浪涌過壓極值，再繪制過壓浪涌曲線（卸載時）或欠壓浪涌曲線（加載時），對照GJB181－86要求的限制曲線即可檢驗浪涌過程是否合格。流程圖如圖6所示。
5 動態電壓測試結果分析
對于瞬態浪涌電壓的測試，一般通過繪制動態過程電壓變化曲線并填充至MIL-STD-704C要求的限制曲線中以檢驗參數是否合格。即先求出動態過程每周波電壓有效值，然后繪制有效值變化的包絡線。在
圖 6 浪涌電壓測試流程
該系統中就是采用了這種方法求得交流電壓(有效值)浪涌曲線的。通過計算機突加載、減載，測得過壓、欠壓曲線如圖7所示，浪涌曲線均在要求的限制曲線范圍之內，完全滿足要求。
圖 7 浪涌電壓測試結果
經試驗證明，該系統操作簡便、測量精度高，系統的靈活性和可擴展性強，能夠準確快速的檢測飛機電源浪涌電壓，從而為飛機電源系統的維護和檢修提供可靠依據。該系統現已成功應用于某飛機研究所。
參考文獻
[1]《飛機供電系統性能參數的數字式測試》[S]，HB6448-90，1990
[2]《飛機供電特性及對用電設備的要求》[S]，GJB181-86，1986
[3] 聶鐵軍,侯誼,鄭介庸.《數值計算方法》[M].西安:西北工業大學出版社，1990