一種對飛機(jī)地面電源監(jiān)控的方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

航空地面電源是飛機(jī)地面保障的主要設(shè)備之一,是航空保障設(shè)備使用過程中的關(guān)注重點(diǎn),飛機(jī)地面維護(hù)檢測、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、科研試驗(yàn)等均離不開地面電源提供的動(dòng)力。地面電源一旦出現(xiàn)故障,輕則延誤保障工作,延長飛機(jī)出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間,重則可能造成飛機(jī)及人員的損傷。通常對飛機(jī)地面電源的監(jiān)控都是通過一些儀器儀表對電源進(jìn)行檢查,不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)地面電源中出現(xiàn)的問題,效率較低:同時(shí),儀器儀表本身的誤差及操作人員或多或少會產(chǎn)生的一些誤差,容易導(dǎo)致對地面電源的判斷出現(xiàn)較大的偏差。因此,本文提出一種數(shù)字化的地面電源監(jiān)控方法,該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高,可有效縮短地面電源的檢測時(shí)間,提高維護(hù)人員的工作效率,提升飛機(jī)的可維護(hù)性及安全性。

1地面電源監(jiān)控概述

當(dāng)?shù)孛骐娫聪蝻w機(jī)供電時(shí),周期性采集地面電源的電壓、頻率、相序(正常范圍:電壓105~121V、頻率375~425Hz、相序ABC或BCA或CAB),將符合飛機(jī)要求的地面電源接入機(jī)上電網(wǎng),讓地面電源為機(jī)上負(fù)載供電:若地面電源發(fā)生故障,在地面電源故障期間進(jìn)行等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)。若地面電源在等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)期間恢復(fù)正常,則繼續(xù)由地面電源供電:否則在等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)后切斷地面電源,并通過總線向其上位機(jī)報(bào)告地面電源故障原因。

2地面電源監(jiān)控的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1電壓監(jiān)控

2.1.1電路原理

目前,對交流電源的采集主要有峰值采樣和有效值采樣兩種方式,此處采用峰值采樣(也叫峰值檢測)對交流模擬量的電壓進(jìn)行采集。峰值采樣就是在指定時(shí)間內(nèi)檢測出信號的最大值。

峰值采樣電路主要由降壓電路、精密半波整流電路、峰值保持電路、峰值泄放電路、多路選擇電路、跟隨器、AD轉(zhuǎn)換電路等組成,其實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1所示。

2.1.2電路設(shè)計(jì)

如圖2所示,峰值采樣電路一般由一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器、二極管、電阻、電容組成。被測交流電源信號經(jīng)電阻分壓后,再經(jīng)過由運(yùn)放、二極管構(gòu)成的精密半波整流電路進(jìn)行整流。這里是將二極管的單向?qū)щ娞匦院头糯笃鞯膬?yōu)良放大性能相結(jié)合,對輸入交變信號進(jìn)行精密整流。

當(dāng)輸入信號為正半周時(shí)二極管導(dǎo)通對電容充電,一直充電到峰值即最大值,當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周時(shí)二極管截止,電容不放電,保持電壓峰值。應(yīng)使用介電吸收盡量小的電容,不得使用電解電容。電容的正端電壓在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中漸趨穩(wěn)定,形成直流信號,該直流信號的電壓即為被測交流電源信號的峰值。

峰值保持時(shí)間由RC時(shí)間常數(shù)確定,一旦電容充電到峰值,則保持該峰值,為避免負(fù)載電容上由于積累電荷,從而影響下一相的峰值采樣結(jié)果,需要設(shè)置峰值泄放電路。峰值泄放電路如圖3所示。

峰值泄放電路用于將保持電容上積累的電荷泄放掉。為了能將保持電容上積累的電荷泄放干凈,在泄放時(shí),應(yīng)使保持電容正端的電壓小于0V。通過軟件和可編程邏輯對峰值泄放回路進(jìn)行控制。信號VLOST為可編程邏輯器件輸出的TTL電平,V為穩(wěn)壓管。當(dāng)VLOST為高電平時(shí),運(yùn)放輸出+15V,三極管導(dǎo)通,三極管的集電極端輸出為負(fù)值,峰值泄放功能被啟用,將輸入被測信號的峰值電壓泄放掉,以保證下次峰值實(shí)時(shí)采樣的正常進(jìn)行:當(dāng)VLOST為低電平時(shí),運(yùn)放輸出一15V,三極管截止,三極管的集電極端輸出空開,通過電阻上拉至+15V,峰值泄放功能被禁止。

進(jìn)行BIT時(shí),先讀取當(dāng)前采集結(jié)果,再在采集電路的MBIT處對地接入一個(gè)電阻(圖2),這樣相當(dāng)于給正常采集時(shí)對地的分壓電阻并聯(lián)了一個(gè)電阻,即分壓電阻的阻值發(fā)生了改變,從而使峰值采樣電路采集的結(jié)果按照一定系數(shù)發(fā)生改變。在軟件中可通過判斷這兩次采集到的電壓的比值是否在門限范圍內(nèi)來判斷BIT結(jié)果是否正常。

2.2頻率監(jiān)控

2.2.1電路原理

交流信號經(jīng)分壓后,進(jìn)入比較器,將交流輸入信號轉(zhuǎn)換為與之頻率一致的方波信號,輸入到可編程邏輯器件內(nèi),在可編程邏輯器件內(nèi)部通過邏輯實(shí)現(xiàn)頻率測量。

頻率采集原理圖如圖4所示。

2.2.2電路設(shè)計(jì)

頻率采集電路如圖5所示。

分壓后的信號Vin1輸入到比較器的反相端,與同相端參考電壓Vref進(jìn)行比較。采用遲滯比較器電路(也叫施密特電路)進(jìn)行采集處理,遲滯比較器是一個(gè)具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器,通過在反相輸入單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋網(wǎng)絡(luò),組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器,其傳輸特性如圖6所示。如將Vin1與Vref位置互換,就可組成同向輸入遲滯比較器。

由于正反饋?zhàn)饔?這種比較器的門限電壓是隨輸出電壓Vo的變化而變化的。這樣可防止輸入電壓在Vref附近出現(xiàn)干擾,輸出電壓時(shí)而為高、時(shí)而為低,導(dǎo)致比較器輸出不穩(wěn)定。它的靈敏度雖然低一些,但抗干擾能力卻得到了很大提高。

利用疊加原理有:

根據(jù)輸出電壓Vo的不同值(VoH或V0L),可分別求出上門限電壓VT+和下門限電壓VT一為:

由比較器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知,當(dāng)比較器輸出低狀態(tài)時(shí),等效于輸出端接地,即V0L≈0V,當(dāng)比較器輸出高狀態(tài)時(shí),等效于開路,輸出端通過電阻R3上拉至+5V,即V0H≈5V,則由式(2)和式(3)可求得VT+和VT一。比較器輸出與輸入信號頻率一致的方波信號,如圖7所示。

比較器輸出的方波信號輸入到可編程邏輯器件,在可編程邏輯器件內(nèi)通過邏輯實(shí)現(xiàn)頻率測量。頻率測量通常有兩種方法,即計(jì)數(shù)法和計(jì)周法。計(jì)數(shù)法是指在一定的時(shí)間間隔T內(nèi),對輸入的周期信號脈沖計(jì)數(shù),被測信號的頻率越高,則相對誤差越小,這種方法適用于高頻測量。計(jì)周法是指在被測信號一個(gè)完整周期內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的脈沖計(jì)數(shù),被測信號的頻率越低,則相對誤差越小,這種方法適用于低頻測量。這里采用計(jì)周法進(jìn)行頻率測量。

在邏輯內(nèi),首先對輸入的頻率信號FRE0進(jìn)行二分頻,變?yōu)镈ⅠVIRE0信號,在DⅠVFRE0信號的上升沿開始計(jì)數(shù),并在高電平內(nèi)保持計(jì)數(shù),在DⅠVFRE0信號的下降沿鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值,以備讀取,這樣就保證了計(jì)數(shù)周期為被測信號的一個(gè)完整周期,如圖8所示。

2.3相序監(jiān)控

相序檢測同樣需要先將交流信號轉(zhuǎn)換為方波信號,在可編程邏輯器件內(nèi)通過邏輯來實(shí)現(xiàn)。其轉(zhuǎn)換電路同頻率采集的轉(zhuǎn)換電路。

三相交流電源的相序按照8、A、B排布,8相超前A相l(xiāng)20О,A相超前B相l(xiāng)20О,則稱為正序或順序,反之則為逆序。

正序時(shí),8相將超前A相,利用這一特點(diǎn),即可通過可編程邏輯判斷三相相序的正確性。判斷的方法為在8的上升沿,A應(yīng)為低電平,否則,發(fā)生相序故障。正序時(shí)的波形如圖9所示,逆序時(shí)的波形如圖10所示。相序故障能檢測到的條件是比較門限的電壓值應(yīng)低于交叉點(diǎn)a的電壓值,如果比較門限高于交叉點(diǎn),相序故障將無法檢測出,因?yàn)榇藭r(shí)無論8、A相序正確還是故障,都滿足在8的上升沿,A為低電平。也可換為A相、B相或B相、8相進(jìn)行判斷。

3地面電源監(jiān)控的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1地面電源監(jiān)控軟件的功能

對地面電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,在地面電源故障期間進(jìn)行等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)。若地面電源恢復(fù)正常,則繼續(xù)由地面電源供電:否則等延時(shí)或反延時(shí)后切斷地面電源。

3.2地面電源故障后切除或恢復(fù)地面電源供電的處理

當(dāng)?shù)孛骐娫床徽r(shí),將引發(fā)地面電源故障中斷,進(jìn)入地面電源故障處理,對地面電源進(jìn)行切除或恢復(fù)地面電源供電。地面電源故障后切除或恢復(fù)地面電源供電的處理方法為:

(1)對地面電源的相序、三相電壓、三相頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,并對采樣數(shù)據(jù)(三相電壓、三相頻率)進(jìn)行數(shù)字濾波。

(2)當(dāng)?shù)孛骐娫聪嘈蚬收?立即切斷地面電源,并向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包,切換到對地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)。

(3)當(dāng)?shù)孛骐娫催^壓時(shí)做反延時(shí)保護(hù),若地面電源持續(xù)過壓,并達(dá)到反延時(shí)保護(hù)時(shí)間,立即切斷地面電源,并向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包,切換到對地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)。

(4)當(dāng)?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)欠壓、過頻或欠頻時(shí)做等延時(shí)保護(hù),若地面電源持續(xù)欠壓、過頻或欠頻,并達(dá)到等延時(shí)保護(hù)時(shí)間,立即切斷地面電源,并向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包,切換到對地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)。

(5)當(dāng)?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)故障,在等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)期間,若地面電源恢復(fù)正常,則停止地面電源故障處理,切換到對地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài),繼續(xù)地面電源供電。

(6)當(dāng)?shù)孛骐娫垂收媳磺谐?切換到對地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)后,應(yīng)向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包,報(bào)告地面電源故障原因,并設(shè)置地面電源不允許再次接入標(biāo)志。

4結(jié)語

飛機(jī)地面電源在飛機(jī)的日常使用維護(hù)過程中起著不可或缺的作用。本文所述為對地面電源進(jìn)行監(jiān)控的方法,將符合飛機(jī)供電系統(tǒng)要求的地面電源接入機(jī)上電網(wǎng),并實(shí)時(shí)監(jiān)控地面電源的品質(zhì)(即電壓、頻率和相序),當(dāng)?shù)孛骐娫窗l(fā)生故障時(shí),按系統(tǒng)要求對其進(jìn)行切除處理。此方法已在飛機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,實(shí)踐表明其各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,且工作穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、方便實(shí)用,可有效提高地面電源維護(hù)效率,減輕地面維護(hù)人員的負(fù)擔(dān),可以推廣應(yīng)用到飛機(jī)供電系統(tǒng)中。