（电力电子与电力传动专业论文）飞机电源系统供电参数测试与分析研究.pdf

西j t - , k 大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a i r c r a f te l e c t r i cp o w e rs o u r c es y s t e m ( a e p s s ) i sa ni m p o r t a n tp a r to fa i r c r a f t e q u i p m e n t a e p s si n c l u d e sa c a e p s sa n dd c a e p s s t h em a i nr e s e a r c ho b j e c t o ft h i s p a p e ri st h ep a r a m e t e r so fa e p s s ，a n dt h em a i nm e t h o d so ft r e a t i n gw i t h t h e s e p a r a m e t e r s a r en u m e r i c a lv a l u ea n a l y s ea n ds i g n a l p r o c e s s a c c o r d i n g t o g j b 一1 8 1 8 6a n dh b 6 4 4 9 一8 6 ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h et h e o r i e sa n dm e t h o d so f a n a l y z i n gs t e a d ya n dd y n a m i cp a r a m e t e r s a tt h es a m et i m e ，as y s t e mo ft e s t i n g p o w e rp a r a m e t e r si so f f e r e d t h es y s t e mc a nt e s tp a r a m e t e r so fs e v e r a lk i n d so f a i r c r a f t s ，s u c ha sy 7 ，y 8 ，j 8 i i ，j h 7 t h ec o r eu n i ti sd a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h es y s t e mc a nt e s ts t e a d yp a r a m e t e r s ( v o l t a g e ，c u r r e n t ，f r e q u e n c y , p o w e r f a c t o r , e t c ) a n dd y n a m i cp a r a m e t e r s ( s u r g e v o l t a g e ，i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y , e t c ) f o ra c d i s c r e t ed i g i t a ls i g n a l ，t h el i n e a rf i t m e t h o di s a p p l i e d t oc a l c d a t et h er e a l z e r oi nt h e p e r i o d i cs i g n a l p a r a b o l a i n t e r p o l a t i o ni su s e dt om e a s u r ee x t r e m u ma n dt h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ( d f t ) i su s e df o rt h em e a s u r e m e m o f v o l t a g es p e c t r u m a na d v a n c e ds o f t w a r ep a c k a g ei sp r o g r a m m e do nt h eb a s i so ft h e s em e t h o d s a n dt h e o r i e s i nt h ee n dt h ea u t h o ra n a l y s et h e t e s t i n gr e s u l t sa n dp u tf o r w a r ds o m e o p i n i o n s o nt h ep r o b l e m s t h e p r o g r a m m i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h m ，w h i c h i su s e di nt h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fa e p s s ，i se f f e c t i v ea n dc r e d i b l e a l lt h et e s t e d p a r a m e t e r so f a e p s sm e e tb a s i cr e q u i r e m e n t sa n dt h em e a s u r i n gs o f t w a r ep e r f o r m s g r e a t l y k e y w o r d s ：a i m r a f te l e c t r i cp o w e rs o u r c es y s t e m d a t a a c q u i s i t i o nc a r d r e a lz e r of o u r i e rt r a n s f o r i l l l i n e a rf i tp a r a b o l a i n t e r p o l a t i o n i i 西北工业大学硕士学位论文 绪论 绪论 随着航空科学技术的发展，对飞机供电系统的供电品质提出了更高的要求， 衡量供电系统性能的两个主要标准是g j b l 8 卜8 6 和h b 6 4 4 8 9 0 。所以在飞机供电 系统设计中，其稳态、瞬态及故障下的各种参数是否完全符合两个标准的性能 指标要求，是衡量该设计是否合格的关键。 随着微电子技术和微计算机技术的迅猛发展，电气参数测量技术不断进步， 相继诞生了智能仪器、p c 仪器、v x i 仪器、虚拟仪器和互换性虚拟仪器等微机 化仪器和相应水平的自动测试系统。其中虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 技术发展非常迅速，至今已历经三个阶段。第一阶段g p i b 总线标准的确立使 计算机增强了传统仪器的功能；第二阶段仪器硬件上出现了两大技术进步，插 入式计算机数据处理卡( p l u g i np c d a q ) 和v x i 仪器总线标准的确立使仪 器的构成得以开放；第三阶段软件领域的面向对象技术把构建虚拟仪器的任何 东西封装起来。而所有测量测试仪器的主要功能可由数据采集数据测试和 分析结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于 计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成 基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为 虚拟仪器( v i ) 。现在，如何把计算机技术应用于数字式测试系统的数据采集与 处理中，是研究和实现数字式测试系统的核心问题。 飞机供电系统参数是航空电气领域的一个重大研究课题，许多高校、航空 科研单位一直致力于寻找解决该课题的最佳方案。北京航空航天大学3 0 4 教研 室在8 0 年代末研制了一套针对飞机供电系统的电气性能数据采集处理系统，但 该系统是基于1 6 位单片机开发的。由于单片机在数据采集和分析处理上的局限 性，造成了该数据采集处理系统在对飞机供电系统中的某些参数进行测试时误 差过大，精度无法保证，不能满足要求。9 0 年代初期，西工大9 0 7 教研室以计 算机为开发平台，研制了一套飞机供电参数测试系统。该系统较好地解决了飞 机供电系统中性能参数的测试问题，能够根据g j b l 8 1 8 6 和h b 6 4 4 8 9 0 的要求 对参数进行全面的测试。当时在硬件方面采用i s a 总线技术设计数据采集设备， 数据采集速率由于i s a 总线传输速率的限制不能做得较高，在计算机中的插卡 不能实现即插即用功能，整个采集设备体积较为庞大，使用不太方便：软件是 西北工业大学硕士学位论文绪论 在d o s 环境下开发的，只能在d o s 环境下运行，不能移植到现今常用的 w i n d o w s 平台，特别是由于d o s 内存空间有限( 只有6 4 0 k ) ，只能以有限的 采集点数进行数据分析处理，精度无法继续提高，而且软件的人机界面已经不 符合当今软件可视化的要求。 由此可见，为了检测飞机交流电源和直流电源的功能和性能指标，需要组 建飞机交、直流电源通用试验台。但是传统的试验台精度低、自动化程度低、 手工记录测试结果、试验台没有分析处理功能、记录结果难于进行统计分析。 同时，为了使飞机供电系统具有统一的计量标准及测试方法，需要研制测试准 确、使用方便的飞机供电参数测试系统。 本测试系统以计算机为核心，硬件主体部分采用基于p c i 总线的的数据采 集卡，实现即插即用，提高了数据传输速率。软件部分运用“虚拟仪器”的思 想，采用b o r l a n dc + + b u i l d e r 编程，对采样数据进行分析和处理，还可实现 数据分析结果的保存和即时打印。在对采样数据进行分析和处理时，运用了大 量的数值分析理论和数字信号处理技术。在软件设计过程中，严格按照 g j b l 8 1 8 6 和h b 6 4 4 8 9 0 的要求，尽可能提高软件质量，满足测试要求。在硬件 资源不变的情况下，只要升级软件系统，整个系统的性能都会得到改善。可以 说，本系统是一个测量速度快，数据处理能力强、操作方便、性能优异的系统。 本论文的章节安排如下： 第一章：飞机供电系统。本章主要介绍飞机供电系统的组成及特点、发展 概况以及飞机供电系统的质量要求。 第二章：系统设计方案。本章介绍该测试系统的总体设计方案。 第三章：硬件组成设计。本章介绍该测试系统的硬件设计方案。 第四章：软件设计。本章是本论文的主体部分，主要介绍该测试系统的软 件设计方案，即测试系统中采样数据的采集、分析和处理方法。 第五章：测试结果及存在问题分析。 结束语。 西北工业大学硕士学位论文 第一章飞机供电系统 第一章飞机供电系统 1 1 飞机供电系统组成及功能【5 】 6 】 1 4 】 飞机供电系统是现代飞机的一个重要的组成部分，它的作用是向飞机上所 有用电设备提供电能。为用电设备的正常工作提供条件，以保证飞机的安全飞 行和完成运输或作战任务。 飞机供电系统指的是电能的生产、变换和输配的一整套装置所组成的一个 完整系统，它可以分为配电系统和电源系统两大部分。 配电系统由电网、配电装置和电网保护装置等组成，其作用是将电源所产 生的电能传输和分配到飞机上各用电设备上去。 飞机电源系统是指在飞机上产生电能的装置和相应配套设备构成的系统。 一般包含交流电源及直流电源( 含电瓶电源) ，以供应飞机各种电气装备及航空 电子设备有效安全地运作。交流电源来自交流发电机，其输出电压为三相四线 制1 1 5 2 0 0 v ，4 0 0 h z ；直流电源般来自直流发电机或由交流电源转换而成， 其标称电压为2 8 v ；电瓶电源供应飞机起动引擎或辅助动力单元，必须具备瞬间 输出高电流( 数百安培至数千安培) 的能力，一般标称电压为2 8 v 。飞机在正常情 况下，电平电源仅作为备份电力，并由充电控制器控制充电速率，使电瓶随时 保持在电力饱和状态下。 飞机电源系统的主要装备组成有： ( 1 ) 交流或直流发电机：飞机交流或直流发电机均通过齿轮箱连接飞机引 擎来驱动。由于飞机引擎转速变化极大，为使发电机输出电压、频率不随引擎 转速升高降低而变化，因此飞机发电机内部设计较一般发电机更为复杂。近代 飞机一般只采用交流发电机，直流电源则经由交流电源整流或变流器转换而成。 由于电子技术日益进步，发电机内部己大量采用微处理机电路，整流器先将交 流发电机产生的非恒定电压、频率交流电转换为稳定的直流电源，再将直流电 源经由换流器转换为稳定电压、频率的交流电源输出。若飞机配备有直流发电 机，则功能即在引擎起动阶段为一电动机，待引擎起动成功后即成为直流发电 棚。 西北工业大学硕士学位论文 第一章飞机供电系统 ( 2 ) 感测器及保护电路：感测器可测量发电机输出是否有过电压、低电压、 过频率、低频率、过电流、直流成份过电压等，若侦测到有短路或异常现象， 则由保护电路停止供电，以达到系统保护目的。 ( 3 ) 发电机控制器：发电机控制器有自我侦测及监控发电机运作的功能， 一旦发电机系统发生故障，可藉由发电机控制器自我保护能力，终止发电机供 电，以达系统保护目的，同时将故障情况显示并记录于故障显示面板上，以方 便地勤维修人员判别故障情沉，缩短维修时间。飞行员亦可由座舱警示系统获 知发电机失效，若属暂态失效，可由r e s e t 按钮重置系统，重新起动发电机及 保护线路。 ( 4 ) 整流或换流装置：整流器或换流器可将交流电源转换为直流电源。 1 2 飞机供电系统的特点 5 】【6 】【1 4 】 飞机供电系统与其它飞机电气设备一样，由于有特殊的工作条件，对飞机 供电系统提出了一系列的技术要求： ( 1 ) 供电系统工作可靠，这直接关系到飞机的安全和战斗力的发挥： ( 2 ) 供电系统的重量和尺寸要小，这样可以使飞机的有效载荷增加； ( 3 ) 供电系统的工作可靠，要求不受周围介质条件的影响： ( 4 ) 供电系统工作可靠，要求不受空间位置、速度和加速度的影响。 1 3 飞机供电系统发展概况 5 【6 】 1 4 】 飞机电源是现代飞机的重要组成部分。飞机上采用的电源系统的类型随着飞 机类型及其性能、任务要求以及用电的不同而有所不同。它的发展主要经历了 以下几个阶段： ( 1 ) 低压直流电源 4 0 年代以前的飞机上，都采用直流电源系统( 6 v ，1 2 v ) ，后来发展成为低 压直流电源系统，调节点电压为2 8 5 v 。主电源由航空发动机直接传动的发电机 和控制保护器构成，主发电机额定容量有3 、6 、9 和1 2 k v a 等数种，相应的额 定电流有1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 a 。应急电源为蓄电池，二次电源为旋转变流机 两北丁业大学硕士学位论文第一章飞机供i e 系统 或静止变流器，它将低压直流电转变为4 0 0 h z 三相或单相交流电，供飞机使用。 ( 2 ) 恒速恒频交流电源( c s c f ) 5 0 年代以来，飞机电源开始采用交流电源系统。采用交流电作为主电源后， 基本上能适应现代飞机的要求。恒速恒频交流电源系统的主电源是由恒速传动 装置和交流发电机以及励磁调节、控制保护装置等组成的4 0 0 h z 、1 1 5 2 0 0 7 三 相交流电源系统。交流发电机的容量有1 5 、2 0 、3 0 、4 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 和1 5 0 k v a 等数种。应急电源为冲压空气涡轮发电机或蓄电池静止变流器，二次电源为变 压器和变压整流器。 ( 3 ) 变速恒频交流电源( v s c f ) 变速恒频交流电源系统的主电源是由交流发电机、功率变换器和控制器构 成。二次电源和应急电源与c s c f 相同。在变速恒频系统中，发电机是直接由发 动机来传动的，因此发电机输出的是变频交流电，经过变频器后变为频率恒定 的交流电。目前变速恒频系统从变换方式上有交一直一交变速恒频电源系统和交一 交变速恒频电源系统两种。 ( 4 ) 混和电源 为了适应全电飞机的发展，出现了由2 7 0 v 高压直流电恒频交流电变频交 流电组成的混和电源系统。发电机由发动机直接传动，发电机输出的变频交流 电通过各种变换装置分别获得2 7 0 v 、2 8 v 直流电，4 0 0 h z 、l1 5 2 0 0 v 恒频交流电， 这种新型混和电源系统是可供选择的先进飞机电源系统之一。 随着飞机及其用电设备的发展，对供电系统提出了更高更严格的要求，供 电系统的可靠性和完善程度直接影响飞机完成飞行、作战任务等，因此，设计 一个可靠性高的供电参数测试系统显得尤其重要。 1 4 飞机供电系统的质量要求【l 】 2 】【3 】【5 】 6 】【1 4 】 飞机供电系统的质量指标除了功率特性的全部指标应符合一定的技术要求 之外，还应包括在所有飞行条件下的供电可靠性、战斗或事故条件下的供电完 整性或不间断性、保护和转换装置的快速性和准确性、系统的电磁相容性等。 下面是能用数字和图表来衡量的几项特性的指标。 直流供电系统的电能质量主要由稳态电压极限、电压脉动和电压瞬变三个 西北工业大学硕士学位论文第一章飞机供电系统 指标衡量。稳态电压极限是指稳态时用电设备端电压的最大变化范围，它决定 于电源的调压精度和馈线压降大小。电源的调压精度与它的电压调节器密切相 关，几十年来，调压精度有了很大提高。 电压脉动通常由传动装置转速脉动、有刷发电机换向和电压调节器工作等 因素导致，电压脉动量也必须限定在允许范围内。 电压瞬变是在发电机转速变化或负载突变时电压超出稳态极限，并在一定 时间内回到稳态极限的状态，常用电压最大变化量和恢复时间表示。电压瞬变 有两类，一为电压浪涌，另一为电压尖峰。电压浪涌是供电系统在外干扰作用 下引起，并通过内部调节作用抑制电压的变化，持续时间较长，一般自数毫秒 至数十毫秒。电压尖峰是由电路转换引起，持续时间为数微秒。国家航空供电 标准对电压瞬变有明确的要求。 交流供电系统的电能质量包括电压和频率两个方面。电压质量指标有稳态 电压极限、电压波形、三相电压对称性、电压调制和电压瞬变等5 个方面：频 率指标有稳态频率极限、频率漂移、频率调制和频率瞬变等4 个方面。交流电 压波形应为正弦波，但实际上有所偏离，常用波峰系数( 相电压波形峰值与有 效值之比，正弦波为1 4 1 4 ) 、总谐波含量、单次谐波含量和偏离系数( 电压波 形与其基波波形对应点的偏差) 来衡量。电压调制是供电系统稳态运行时，电 压在其峰值的平均值附近周期性或随机的变化或两者兼有的变化，常用调制幅 值和调制频率来衡量。频率质量指标的一些定义与电压指标类似。 电磁兼容性是系统及其部件在总的电磁环境下按规定要求完成其功能的能 力。必须防止供电系统中的干扰信号影响用电设备的运行，同时也要抑制用电 设备产生的干扰影响供电系统的工作。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统设计方案 第二章系统设计方案 2 1 任务分析 1 2 】【3 】 飞机电源系统是飞机机载设备的重要组成部分之一，随着航空事业和科学 技术的发展进步，飞机电源系统也是不断发展的；到目前为止，很多飞机上都 采用了交流电源系统。本电源实验台是为了满足飞机交流电源参数的测试而设 计的，同时也将直流电源系统的参数测试兼顾其中，具有很高的综合化程度。 这里首先介绍电源实验台的总体设计方案，综合电源试验台系统的示意图 如图2 一卜l 所示。 图2 一卜l 综合电源试验台示意图 该实验台的主拖动台由7 5 k w 调速整流子电动机和增速齿轮箱组成，用于提 供被测试各种发电机的原动力，其转速能够连续调节，能够满足各种被测试产 品对转速的不同要求；冷却系统采用风冷方式，采用两台1 5 k w 三相异步电动 机变频调速系统和风机组成，调速的目的是为了满足各种被测试发电机对冷却 通风量的不同要求：负荷箱为电源系统的模拟负载，由负荷箱控制柜和操纵台 控制，提供所需要的不同大小和不同功率因数的负载。 本电源实验台需要对y 一7 、y 一8 、j 8i i 、j h 7 等机型电源系统的参数进行测 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统设计方案 试，被测试机载产品基本包容了现阶段所有国产机型。针对目前型号任务的需 要，该实验台还需充分考虑升级和换代的余地。 这里，我们的主要任务是进行电源测试仪和计算机系统( 实线框内的部分) 的设计、实施和调试，对产品的各项参数进行分析处理，处理结果能够保存、 打印输出。 1 主要测试参数 ( 1 ) 交流电压( 交流系统主回路电压和永磁机电压) ； ( 2 ) 交流电流； ( 3 ) 交流频率： ( 4 ) 功率因数； ( 5 ) 相位差； ( 6 ) 电压不平衡值： ( 7 ) 直流电压( 直流系统主回路电压和激磁电压) ； ( 8 ) 直流电流( 直流系统主回路电流和激磁电流) ； ( 9 ) 动态频率； ( i 0 ) 浪涌电压； ( 1 1 ) 1 至5 次谐波、波峰系数、偏离系数； ( 1 2 ) 电压调制量： ( 1 3 ) 频率调制量和频率调制率； ( 1 4 ) 保护器时间。 2 主要技术特性 ( 1 ) 测量参数的量程： 电压测量范围：交流电压有效值0 2 4 0 v ( 有效值) ；直流电压有效值0 3 5 v ；精度o 5 。 电流测量范围：交流电流有效值o 2 0 0 a ( 有效值) ；直流电流有效值0 6 0 0 a ；精度0 5 。 频率测量范围：3 2 5 h z 5 0 0 h z ；精度0 3 。 ( 2 ) a d 采样速率：i o o k h z ；a d 精度：1 2 位； ( 3 ) 工作条件：温度：o c 6 0 。c ；湿度：5 9 5 ( 无冷凝) 。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统设计方案 2 2 系统设计【l 】 2 【3 】【1 0 】 1 1 】【1 2 】 1 3 】【4 8 】 4 9 】 5 0 】 2 2 1 系统总体设计【l 】【2 】【3 】 1 0 】【1 1 】 1 2 1 1 3 】 根据以上的任务分析，本系统的总体设计框图如图2 2 1 所示。 图2 2 1系统总体设计框图 本测试系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括电压、电流信号的调 理电路和一块基于p c i 总线技术的高速数据采集卡以及数字式输出控制电路， 它主要完成输入信号的调理和由软件控制的多路单路、模拟数字信号的数据采 样以及负载的自动加、减载：软件部分首先对采样数据进行预处理，然后进入 相应的数据处理模块进行采样数据的分析处理，主要是人机交互界面，测试数 据的采集、分析和处理，负载加、减载自动同步控制，测试结果的显示、保存、 打印等。本系统是一个综合硬件、软件多项先进技术，功能多、测量速度快、 数据处理能力强、操作方便、性能优异的测试系统。 由于以计算机为主要操作界面，所以数据的处理主要靠软件来完成，测试 项目和处理结果可以很方便的得到，只要升级软件系统，实验台的测试性能就 能得到提高，是目前综合化、自动化程度较高的飞机电源系统实验台，其技术 含量处于国内领先地位，代表了国内目前飞机电源系统参数测试的总体水平。 本系统主要特点： ( 1 ) 高精度：a d 精度为1 2 位： ( 2 ) 高速度：采样速率可达i o o k h z ： ( 3 ) 多功能：具有多种数据分析功能，并且易于按特殊要求扩展新的数据分析 功能； ( 4 ) 显示功能强：图形显示清晰明了，可显示交流电压、频率、电流、功率因 数及直流电压、电流、输出电压波形、谐波分析波形； 西北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案 ( 5 ) 高效率：可以同时采集多个通道并显示结果： ( 6 ) 易操作：只需按鼠标键，便可完成全部工作； ( 7 ) 可贮存：采样数据结果可长期贮存，也可随时调入p c 机进行分析。 2 , 2 2 系统硬件川f 2 】 3 】【4 8 】【4 9 】【5 0 】 系统硬件部分包括交、直流信号调理电路：输出控制电路；数据采集部分 和微机系统。其中信号调理电路是将输入的源信号经过衰减，变为与后面的数 据采集电路的输入相匹配的量；输出控制电路用来控制负载的自动加减载；数 据采集部分是一个基于p c i 总线的数据采集卡，采集卡的最高采样频率为 1 0 0 k h z ，有1 6 路a i 、1 6 路d i 、1 6 路d o 和l 路a o ：微机系统是将采集得到 的信号存储并进行分析处理。该硬件可以实现h b 6 4 4 8 9 0 和g j b l 8 1 8 6 要求的 参数测试。 2 2 。3 系统软件【1 1 1 2 1 3 】 1 0 】 i i 】 系统应用软件包括以下七个部分： ( 1 ) 公用函数部分； ( 2 ) 采集卡与监控计算机的读写部分 ( 3 ) 数据预处理部分； ( 4 ) 数据分析和处理部分： ( 5 ) 参数校正部分： ( 6 ) 系统功能部分： ( 7 ) 系统界面显示部分。 按系统设计的软件功能界面划分示意图如图2 2 3 所示。 按系统设计的测试参数内容划分示意图如图2 - 2 4 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统设计方案 图2 - 2 3 系统显示界面示意图 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统设计方案 图2 - 2 4 系统测试参数示意图 该系统的软件运行平台的要求为： 操作系统：w i n 9 8 w i n 2 k ；c p u ：3 0 0 m h z 以上；内存：6 4 m 以上；硬盘空间 2 g 以上。 话l t ；1 业大学硕士学位论文 第三章硬件组成设计 第三章硬件组成设计 3 1系统硬件方案选择依据 3 1 1 现代数据采集系纠1 】 2 1 1 3 】【1 2 】【1 5 】【1 7 】【4 8 】【4 9 】【5 0 】 现代数据采集系统是科学发展的产物，早期的数据采集系统完全是由分立 元件拼凑起来的，结构庞大、可靠性差、无数据处理能力、精度低。随着科学 技术的发展，数据采集系统在硬件和软件上都有了惊人的进步。它由包括计算 机在内的一些模块组成，集成度高，模块不需要很多，因此结构紧凑，可靠性 高。而且采用硬件和软件相结合的技术，使系统具有相当的通用性，性能指标 也达到了令人满意的程度。现代的数据采集系统由于对数据具有计算、分析和 判断的能力，可以进行多路测量，而且测量速度快、精度高，因此又称为自动 数据采集分析系统、智能测量系统。 下面介绍数据采集控制系统的基本构成。图3 - 1 1 所示为一个典型的数据 采集与控制系统。 数字信号输入 广咂l l l l 传感器1一- - 信号一+ j l 调节 i 一 竹 测 计 匪! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 卜 _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 多 控 算 路 接 机 l 传感器2 镐苇 + 切 口 j 磊 ilii 换 11 1 竺 开 关 k t 网恫 网押 图3 - 1 1 数据采集系统示意图 由图可见，数据采集与控制系统就是把外部输入输出器件，如打印机、显 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件组成设计 示器、键盘、模拟或数字输入通道、模拟或数字控制通道、智能仪器仪表等同 计算机连接起来。而这些器件的连接都要通过适当的接口和总线，所以接口和 总线是数据采集和控制系统的重要组成部分。 图中被测信号由传感器转换成相应的电信号，这是任何非电量检测必不可 少的环节。不同被测信号所用传感器是不同的。 被测信号经过传感器后要送入计算机，必须经过模数转换，所以数据采集 系统中的关键部件是a d 。它的作用是把模拟信号转换为数字信号，即对模拟信 号采样，得到一系列在数值上离散的采样值。a d 转换器把模拟量转换成数字量 需要一定的转换时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量必须维持基本不变， 否则不能保证转换精度，所以需要加采样保持电路，通过此电路把采样得到的 模拟量保持到转换为数字量。 多路切换开关是一种实现模拟信号通道接通和断开的器件，它的作用是把 多个输入通道的模拟信号按预定时序分时地有顺序地与保持电路接通。模拟开 关有“导通”和“断开”两种状态，可以由一个功耗极小的数字控制电路改变 其工作状态。模拟多路开关可以把多个信号通道换接到同一负载，每个时刻都 只有一个通道被接通。在数据采集系统中，采用模拟多路开关先将模数转换器 对多个待转换的模拟信号通道进行时间分隔，顺序地或随机地每次接通一个通 道，把该通道的信号经过采样保持电路后送入模数转换器。模拟多路开关包括 一列并行的模拟开关和地址译码驱动器，它把输入的地址码翻译成输入通道的 代码，并把与输入地址相应的模拟开关接通，同时保证每次只有一个模拟开关 是导通的。 测控接口单元可以采用p c i 总线技术，其中数据的存储采用f i f o 存储电路。 如果用系统c p u 直接控制进行数据采集，过多的i o 读写会降低计算机处理数 据的能力，所以高速数据采集系统在采集数据时对于系统c p u 必须独立。a d 转换器输出的数据流以d m a 方式直接写入f i f o 存储器。当f i f o 存储器内数据 达到总容量的5 0 后，其半满标志翻转，该信号引起p c i 控制器中断，p c i 控制 器一次从f i f o 中读出已完成a d 转换的数据，然后经计算机的p c i 总线送入计 算机内存。在读f i f o 的过程中并不影响f i f o 继续接收a d 转换的数据。这样 可以避免频繁的总线切换操作。只要保证在f i f o 余下的5 0 容量未装满之前把 f i f o 中的前5 0 数据及时取走，即可保证不丢失数据。 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件组成设计 3 i 2 虚拟仪器在测试系统中的应用 3 1 2 1p c i 总线【2 2 】【2 9 】【3 0 】【3 1 】【3 2 】【3 3 】【3 4 】【3 5 】 总线就是一组进行互连和传输信息( 指令、数据和地址) 的信号线。在以 w i n d o w s 为代表的图形用户接口( g u i ) 进入p c 机之后，要求有高速的图形描绘能 力和i o 处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提 出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间 的数据传输率已达i o m b s 以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到 6 9 m b s 。通常认为i 0 总线的速度应为外设速度的3 5 倍。因此原有的i s a 、 e i s a 已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。 局部总线是p c 体系结构的重大发展，它打破了数据i o 的瓶颈，使高性能 c p u 的功能得以充分发挥。从结构上看，所谓局部总线是在i s a 总线和c p u 总线 之间增加的一级总线或管理层，这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制 器等从i s a 总线上卸下而通过局部总线直接挂接到c p u 总线上，使之与高速的 c p u 总线相匹配。而采用p c i 总线后，数据宽度升级到6 4 位，总线工频率为 3 3 3 m h z ，数据传输率( 带宽) 可达2 6 6 m b s 。 1 9 9 1 年下半年，i n t e l 公司首先提出了p c i 的概念，并联合i b m 、c o m p a q 、 a s t 、h p 、d e c 等i 0 0 多家公司成立了p c t 集团，其英文全称为：p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c ts p e c i a li n t e r e s tg r o u p ( 外围部件互连专业组) ，简 称p c i s i g 。p c i 是一种先进的局部总线，己成为局部总线的新标准。 采用p c i 总线可以解决数据的i o 瓶颈，使计算机更好地发挥性能：采用 p c i 总线技术，提高了高速数据传输的速率，且能够实现即插即用，只需一块采 集卡，就能完成以前庞大的数据采集设备实现的功能。 3 1 2 2 虚拟仪器在航空方面的应用【3 6 】【3 7 】f 3 8 】【3 9 】【4 0 】 随着航空技术的发展，用高新技术武装起来的新型作战平台在其作战性能 大幅度提升的同时，亦带来了测试、维修、保养等一系列问题，由于测试信号 西北工业大学硕士学位论文第三章硬件组成设计 种类繁多、性质各异，使以往传统仪器难以满足要求，而以p c i 总线为基础组 成的虚拟仪器可利用现有多达1 0 0 多种商品化模块组成一个通用性极强的测试 平台，测试各种数字、模拟、混合信号，完成元器件级、电路板级、系统级乃 至整台发动机和整架飞机的自动测试，并可脱机测试和在线测试，亦可参入实 时控制。目前美欧等航空发达国家，其虚拟仪器技术已在航空测试领域、尤其 在军用航空测试领域得到广泛应用。 对飞机及其机载设备测试尤其对试飞前飞机及其机载设备测试是非常复杂 的，往往有成千上万个参数需要在短时间内测试完毕，并且随着飞机性能的提 高，这些机载设备性能也在不断提高和扩大。基于p c i 总线的虚拟仪器具有通 道量大、传输速度快、精度高、抗干扰能力强和可靠性好诸多优点，为现代航 空电气设备提供了一种前所未有的先进测量手段，可满足对设备的测试要求， 并且由于p c i 总线的开放性，使测试系统很容易升级扩展。 3 1 3 系统对测试设备的要求【1 】【2 1 3 】 1 性能数据 a 为满足电气参数同时测量的要求，测试通道数应不少于6 。 b 为提高分辨率，模数变换器一般应不低于1 2 位。 c 测试设备的测量误差应满足飞机供电系统性能参数的测试要求或按有关 规定。 2 采样方式 为适应参数同时测量和快速测量以及不同参数的测量要求，设备应具有以 下4 种基本采样方式。 a 多路同时采样方式 为保证交流三相电压、电流同时进行测量，采样通道不能少于6 路。电压 采样频率不低于2 0 k h z ( 即4 0 0 h z 电压每周波采样点数不少于5 0 点) ：电流采样 频率不低于6 6 7 k h z ( 即4 0 0 h z 电流每周波采样点数不少于1 7 点) 。可测交流稳 态电压、电流、相移、三相电压不平衡、直流稳态电压等参数。 b 单路快速采样方式 为了采集高速变化的信号，采样频率应不低于8 0 k h z ( 即4 0 0 h z 电压每周波 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件组成设计 采样点数不少于2 0 0 点) 。可测稳态电压波形等参数。 c 单路波峰波谷采样方式 为了采集变化信号的包络线，采用波峰波谷采样方式。一种采样频率不低于 8 0 k h z ；一种采样频率不低于2 0 k h z 。可测交流稳态电压调制、交流瞬态浪涌和 直流瞬态浪涌参数。 d 测频采样方式 采用测周期法测频率，即利用计算机计数方式( 软件过零计数) 测频。采 样频率不低于8 0 k h z ，计数频率不低于1 2 5 m h z 。可测交流频率参数。 3 2 系统的硬件设计【1 2 3 】【1 2 】 1 3 】 1 5 】 2 7 】 2 8 】 4 8 】【4 9 】 5 0 】 本测试系统实际上是一个数据采集系统。根据以上的叙述以及参数测试的 技术要求，可以将该电源测试系统的硬件结构分为三个子系统：信号调理电路 与继电器输出控制电路板、p c i 高速a d 数据采集与d i d o 卡和微机。 3 2 1 信号调理与继电器输出控制板【1 3 】【1 5 】 1 信号调理部分 信号调理部分包括电压信号和电流信号转换。 ( 1 ) 电压信号转换是把来自电源的电压信号转换成幅值在i o v 内的电压 信号，完成信号幅值的转换，经转换输出的电压信号，再送入高速数据采样子 系统中进行采样。本方案采用电阻分压将电压转换成l o v 信号。电压调理电路 如图3 2 1 所示。 ( 2 ) 电流信号转换是把来自电源的电流信号转换成幅值在l o v 内的电压 信号，完成信号类型、幅值的转换，经转换输出的电压信号，再送入高速a d 进行数据采样。本方案采用霍尔电流传感器将电流转换成4 2 0 m a 的电流信号， 再将此电流信号转换为l o v 信号。电流调理电路如图3 2 2 所示。 西北工业大学硕士学位论文第三章硬件组成设计 图3 2 1 电压调理电路图3 2 2 电流调理电路 通过分析各机型交流电源系统参数，其最大额定功率为6 0 k v a ，输出最大 额定电流为1 6 7 a ，所以主回路电流测试选用3 路2 0 0 a 霍尔电流传感器w b l 4 1 3 c 0 ， 进行主回路负载电流测量，如j f 3 0 a 、y j f 一3 0 b 、j f 一1 2 a ；对于不超过3 0 a 的电 流回路，选用3 路3 0 a 霍尔电流传感器、2 路i o a 霍尔电流传感器和1 路2 a 霍 尔电流传感器进行测量，如z c f - 6 的主回路电流测试采用3 路3 0 a 电流传感器 w b l 5 1 3 c o 进行测量；j f - 1 2 a 的激磁电流( 2 8 5 a ) 采用i 路3 0 a 电流传感器兀 一p 进行测量；z c f 一6 的激磁电流( i o a ) 采用2 路i o a 电流传感器 w b l 2 2 4 s 1 0 a 2 0 i i l a 进行测量：j f - 3 0 a 的激磁电流( 0 4 a ) 采用1 路2 a 电流传 感器w b l 2 2 4 s 一5 a 2 0 【i l a 进行测量。对各机型直流电源系统参数，主回路额定电 流为6 0 0 a ，采用1 路5 0 0 a 的电流传感器w b l 2 2 4 s i 一5 0 0 a 2 0 m a 进行测量。 2 继电器控制输出部分 图3 2 3 继电器通断控制电路图 此部分电路用于输出开关量以控制通、断负载。控制信号由采集卡的d o 提 供，控制1 6 只继电器常开触点的闭合，从而输出1 6 路开关量给负荷箱控制柜， 用于在测试动态特性时自动控制负载的通断。 该系统的继电器选用8 3 3 h i c c 。 西北工业大学硕士学位论文第三章硬件组成设计 3 2 2p c i 高速a i d 数据采集与d i d o 卡【4 9 】【5 0 】 这里，我们将图3 - 1 1 中虚线框内的部分用一块数据采集卡代替。数据采 集卡选用凌华公司的p c i 9 1 l 卜d g ，p c i 9 1 1 1 一d g 是一种基于3 2 位p c i 总线结构、 有1 2 位模拟输入的高性能的数据采集卡，有1 6 个模拟输入通道、1 6 个数字式 输入通道、1 6 个数字式输出通道和1 个模拟输出通道：采样频率高达i o o k h z ， 并且可以根据需要由软件设置：采样方式可以通过软件设置。 本系统要测量的参数有三相交流电压、三相交流电流、三相永磁机电压、 测速发电机电压、激磁电压、两路激磁电流、直流电压、直流电流共1 5 路模拟 量参数( a i ) ；在控制负载通断时，需要1 6 路开关信号( d o ) 。所以选择数据采 集卡p c i 一9 1 l i d g 满足本系统测试的要求。 根据本系统要测试的参数，将数据采集卡的1 6 路模拟输入通道通道如下分 配： 通道a d c h o a d c h 2 用于测试交流发电机主回路电压； 通道a d c h 3 a d c h 5 用于测试交流发电机主回路电流； 通道a d c h 6 a d c h 8 用于测试永磁机电压( 交流) ； 通道a d c h 9 用于测试测速发电机输出电压( 交流) ； 通道a d c h i o 用于测试激磁电压( 直流) ： 通道a d c h l l a d c h l 2 用于测试励磁电流( 直流) ； 通道a d c h l 3 用于测试直流发电机主回路电压： 通道a d c h l 4 用于测试直流发电机主回路电流： 通道a d c h l 5 备用。 3 2 3 微机 该微机的主要作用，是把a d 采集卡的采样数据，通过数据总线送入微机 内存，然后完成对采样数据的分析处理，并且贮存、打印分析结果和所测试信 号的波形，贮存在微机内的数据可以查询，也可进行后期测试。 西北工业大学硕士学位论文第四章软件设计 第四章软件设计 4 1 软件总体设计1 】 2 【3 】 7 8 】 9 本论文的研究工作主要在于分析飞机电源系统供电系统性能参数测试数据 的处理方法和理论，编制的数据处理软件是参数测试系统中的软件部分。在对 采样数据进行分析处理时，运用了大量的数值分析理论和数字信号处理技术。 整个软件部分应用虚拟仪器的思想，采用面向对象、可视化设计的快速应用开 发软件平台b o r l a n dc + + b u i l d e r 进行分块设计。整个监控系统是以图形和菜 单等事件驱动的。 软件结构主要有以下七个部分： ( 1 ) 公用函数部分： 为各窗口提供通用函数，如线性拟合、抛物线插值、d f t 变换等算法。 ( 2 ) 采集卡与监控计算机的读写部分： 监控计算机向数据采集卡发送控制命令，数据采集卡采集的数据送给计算 机作进一步的分析和处理。 ( 3 ) 数据预处理部分： 在进行数据分析和处理时，首先要对采集数据进行预处理，即将采集到的 数据进行相应的处理，去掉可能出现的干扰等信号，得到与输入信号相近的信 号，已备后续的处理与分析。 ( 4 ) 数据分析和处理部分： 可以测试系统的稳态参数，包括交流稳态电压、电流、频率、功率因数、 电压不平衡值、电压相位差，直流稳态电压、电流。并可进行电压波形分析、 电压调制分析和频率调制分析等。可以测试系统的瞬变特性，包括交流、直流 系统浪涌电压( 过压和欠压) 、瞬态频率( 过频和欠频) 。可以测试保护器的动 作时间。 ( 5 ) 参数校正部分： 对各采样通道的通道系数进行校正。 ( 6 ) 系统功能部分： 2 0 西北工业大学硕士学位论文 第四章软件设计 为了便于用户分析，有打开、保存、打印