基于LabVIEW 的通用飞机电源系统的测试研究

吕伟，胡天翔，徐宇恒，张逸群

（中国民用航空飞行学院航空工程学院，广汉618307）

0 引言

通用航空是指民用航空器从事非公共航空运输的民用航空活动，通用航空飞机机型种类多，数量大，在科学实验、教育训练、工业、抢险救灾等多个领域发挥着至关重要的作用。通用飞机与现代运输机系统构成基本相同。

现代飞机电源系统是飞机上一个关键系统，是产生、存储、变换、调节以及分配电能的系统，一般由电源、调节电路、稳压电路、控制电路、检测电路、保护电路等组合而成[1]。随着技术的发展，机载电子设备越来越多，需要电源系统提供高质量、稳定可靠的电能，飞机电源系统各个部件能否达到要求正常工作，是影响飞行训练任务和飞行安全的重要因素[2]。在传统的维护工作中，对电源系统的各部附件检测和校验采用人工使用仪表手动检测的方式进行，人工读取检测数据，按照相关技术文件人为判断性能是否异常或存在故障。传统检测方式由于检测工序复杂，项目多，人工读取监测数据会引入一定的误差，对检测标准无法严格统一，并不能较好地保证飞机电源系统的品质；且操作不便，效率低，只能局部、间接反映出电源品质，对飞行任务可能产生隐患。

现代测试技术采用计算机控制技术和测试技术相结合，可以使用软件对采集的数据分析处理，并且根据需要来对采集数据进行调整，减小检测误差，提高维护效率[3-4]。本文设计了基于LabVIEW 软件对飞机电源测试系统进行编程，数据采集使用NI 公司生产的CompactDAQ 采集平台。该系统能够对飞机电源系统中的各部附件进行性能检测及校验，对采集数据存储分析记录，提高检测效率，检测飞机电源系统的供电品质，及时发现存在的异常与隐患。

1 系统方案设计

现代通用飞机通常由发动机带动交流发电机产生交流电（AC），由整流器转换为直流电（DC），为飞机上的用电设备进行供电。本文主要以通用飞机发电机为测试对象。

通用飞机电源测试系统可用于通用飞机发电机的检修维护。根据机务维修手册对发电机进行检测与校验，发现存在的异常与故障，保证电源品质。

此电源测试平台分为硬件系统部分和软件系统部分，可以实现对测试的部附件的数据采集和分析功能。硬件部分采用三相异步电机模拟飞机发动机运行的真实状态，通过数据采集模块和信号调理电路采集处理数据，测控计算机采用便携式工控机，方便在外场和内场进行检测维修工作；软件部分基于LabVIEW 软件，实现数据存储、分析等功能，测试系统框图如图1所示。

图1 飞机电源系统测试系统结构框图

2 硬件系统设计

硬件系统主要由高速拖动系统、传感器模块、信号调理电路、数据采集电路、测控计算机等构成。

2.1 高速拖动系统

大功率的高速拖动系统在该测试系统中用来模拟飞机发动机驱动航空发电机的运行状态。该系统采用高速三相异步电动机作为驱动装置，该电动机结构简单，不需要增速齿轮及滑油散热油箱，使整个拖动系统的体积、质量大幅降低，可靠性高，便于维护。

驱动电源采用380V 交流电，通过变频器后连接三相异步电动机作为驱动电源。变频器根据需要可通过改变输出频率和电压对发电机转速进行调节。按照通用飞机的发动机功率，采用7.5kW 变频器，可以模拟出航空发动机驱动发电机的转速状态。

2.2 传感器模块

传感器模块的设计主要由电压、电流传感器、转速传感器等构成。传感器将电压、电流等信号经过信号调理电路进行变换、滤波和放大等处理达到接受范围后传递给数据采集模块，发送给测控计算机。

2.3 信号调理电路

信号调理电路主要负责将航空发电机输出的电压、电流等信号经过信号调理成能够与数据采集卡相匹配的信号量。主要包括对电流信号转换为电压信号；对交直流电压的幅值调理和信号隔离等功能。

2.4 数据采集卡

测控计算机和外部设备的连接使用数据采集卡，数据采集卡可以将航空发电机产生的模拟信号转换为测控计算机可以读取的数字信号。由于飞机电源系统的动态时间较短、数据存储量大、采样周期短等特殊性，采用美国NI 公司生产的独立式CompactDAQ 采集卡，采集卡如图2 所示。CompactDAQ 采集卡具有高性能的嵌入式采集和记录的独立数据采集系统，内置Intel 双核处理器，具有较强的数据处理和分析能力。独立式NI-CompactDAQ 系统可提供用以大多数传感器类型的信号调理模块选项以及各类标准连接，如USB、以太网、串口等，可用于扩展I/O 和连接其他第三方外部设备。其属于模块化系统，通过插入其他模块即可添加更多测量类型和通道。CompactDAQ 数据采集模块便于携带，方便在外场和内场进行检测维修工作。

2.5 测控计算机

工控机应具有良好的工作性能，面对外场和内场的工作环境，保证良好的测试性能还应具有较强的抗干扰和防震能力，作为测控计算机的工控机是测试系统的核心，使用测控计算机控制整个检测过程，对经过信号调理电路调理后的电压、电流、转速等信号传递给测控计算机，使用软件系统进行数据存储、数据处理和分析，输出测量结果。

3 系统软件设计

飞机电源测试系统软件设计是在Windows 操作系统环境下使用LabVIEW 软件开发平台编写。Lab-VIEW 是基于C/C++开发的专门用于数据采集和仪器控制及自动测试系统的可视化编程语言，无文本代码图形化框图（“G”语言），编写程序扩展名为VI，Lab-VIEW 提供了丰富的函数数据库，提供了大量的图形控制和工具，使人机界面变得友好和方便。对于飞机电源测试系统来说，LabVIEW 的编程具有更强的灵活性和扩展性，使用人员可以根据不同任务的测试需要便可对系统功能进行扩展。

软件编写采用“自顶向下逐层分解”的方式，将各测试系统模块化，这样的方式提高了灵活性和扩展性[5]。测试系统测试软件流程图如图3 所示。测试软件由初始化参数模块、机型选择模块、电压和电流模块、结果显示、生成报告等模块组成。在该系统中，首先需要进行初始化参数，重新设置采样频率和通道，避免采集数据时产生错误，其次对测试机型进行选择，选择后可以根据测试要求对交流发电机进行电压和电流的测试，采集和测试完成后可以选择是否进行其他项目，若要进行其他项目的测试，上一个测试结果会自动存储在计算机中，若不进行其他项目测试，则会在计算机中显示结果并生成报告。在该系统中采用模块化设计，可以根据机型需要对测试对象进行修改。通用飞机电源测试系统主界面如图4 所示。程序局部图如图5所示。

图3 测试系统软件流程图

图4 通用飞机电源测试系统主界面

图5 测试程序局部图

4 实验结果

本系统选取Cessna172R 型飞机和TB-200 型飞机的交流发电机，测试过程依据各机型机务维护手册确定。

4.1 测试结果一

选取Cessna172R 型通用飞机的ASG10001-17 型号飞机交流发电机为测试对象。在测试前首先要对发电机转子进行静态测量，按照Cessna172R 型飞机维修手册要求在静态下测得转子电阻值，测得的电阻值满足要求后对交流发电机的转子加载12V 额定电压测得电流满足维修手册要求，以保证测试结果准确性。其次，将交流发电机在拖动台上固定，驱动装置与发电机使用皮带连接拖动，对测试平台加载380V/50Hz 交流电作为驱动电源，使用变频器对发电机转速进行调节，发电机输出端与负载相连，发电机输出的电压电流信号经过传感器、信号调理电路的处理传输给数据采集卡后传送给工控机。根据手册进行低转速和高转速两种情况下的电压和电流检测。

（1）低转速下发电机电压和电流测试：根据测试要求，加载一定量的负载，利用测试平台将转速调至4000r/min。观察虚拟仪器显示的电压读数为28V 时，其输出电流为42A，如图6 所示。满足机务维修手册规定的低转速（4000rpm）时输出电压28V，输出电流不小于35A 的要求。

图6 4000rpm状态下电压、电流测试值

（2）高转速下发电机电压和电流测试：根据测试要求，加载一定量的负载，利用测试平台将转速调至8000r/min。观察虚拟仪器显示的电压读数为28V 时，其输出电流为63A，如图7 所示。满足机务维修手册规定的高转速（8000rpm）时输出电压28V，输出电流不小于55A 的要求。

4.2 测试结果二

选取TB-200 型飞机ALU6500 系列交流发电机为测试对象。首相，同样要对TB-200 型ALU6500 系列飞机交流发电机的转子在静态下做加载电压的测试，保证测试结果准确性。将测试平台与TB-200 型飞机交流发电机相连，连接方式与Cessna172R 型飞机交流发电机相同，对测试平台加载380V/50Hz 交流电作为驱动电源。根据维修手册要求在低转速和高转速情况下对发电机的输出电压与电流进行检测。

（1）低转速下发电机电压和电流测试：根据测试要求，加载一定量的负载，利用测试平台将转速调至4000r/min。观察虚拟仪器显示的电压读数为28V 时，其输出电流为32A，如图8 所示。满足机务维修手册规定的低转速（4000rpm）时输出电压28V，输出电流不小于23A 的要求。

图8 4000rpm状态下电压、电流测试值

（2）高转速下发电机电压和电流测试：根据测试要求，加载一定量的负载，利用测试平台将转速调至8000r/min。观察虚拟仪器显示的电压读数为28V 时，其输出电流为72A，如图10 所示。满足机务维修手册规定的高转速（8000rpm）时输出电压28V，输出电流不小于61A 的要求。

图9 8000rpm状态下电压、电流测试值

通过以上对Cessna172R 型飞机交流发电机和TB-200 型飞机交流发电机的测试结果来看，本通用飞机电源系统测试系统可以准确、便捷地测出通用飞机交流发电机维修检测所需数据，同时可以保存测试数据，形成测试报告。满足内、外场对电源系统维护的要求。

5 结语

本文设计的通用飞机电源系统测试平台，使用独立式采集卡能够高速准确地采集测试数据，使用Lab-VIEW 软件操作简单，人机界面友好，采用模块化设计方式。基于LabVIEW 的测试系统采用便携式工控机，维修人员在内、外场测试维修便捷。通过测试实验表明该系统能够满足测试要求且该系统能够准确、快速地量所需测试数据，相较于传统测试方式来说，准确度增高，人为误差减小，有利于提高维修人员对飞机电源品质的检测工作的效率。