航空地面交流电源测试系统的设计

李勋章，赵宏强，王 彬

（海军航空大学青岛校区，青岛266041）

航空地面交流电源是飞机地面保障的重要装备，用于提供飞机启动升空的地面直流供电，其供电品质的好坏直接关系到起飞成功率，须在对飞机供电前进行其供电性能的检测。目前飞机场站主要依靠人工的方式手动进行交流供电性能检测，测试过程复杂，无法保证测试结果的准确度，据此，有必要研制一套全自动的交流供电测试系统。本文介绍的测试系统根据国军标GJB572A-2006 和GJB5189-2003 的要求[1]，依托自动化测试技术，可实现对交流供电参数的检测，并通过数据采集分析及处理、结果显示及打印等方式，完成交流供电性能的判定及人机交互。

1 总体设计方案

该系统主要设计功能：提供一个交流通电负载，对电源进行供电加载，在加载的过程中完成对交流供电稳态、瞬态参数的实时测量，通过开发的上位机软件系统实现对数据的分析，形成测试结果，通过触摸显示屏、操作台及打印机等完成人机交互功能[2]。

系统的总体设计框图见图1，依据已介绍的设计功能，测试系统主要设计为如下子系统：

图1 总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram

（1）控制子系统：完成开关量信号输出和标准信号采集与处理及人机交互等功能，包括：PC104 单板机、触摸显示屏、操作台、打印机等；

（2）软件子系统：完成数据的处理及分析功能；

（3）执行子控系统：完成检测过程的控制功能，包括：I/O 板卡、功率放大电路；

（4）数据采集子系统：完成加载过程中的信号采集功能，包括：A/D 板卡、信号处理电路；

（5）通电负载：完成模拟飞机电阻特性的功能。

2 硬件系统的设计

硬件系统主要包括：控制子系统、数据采集子系统、执行控制子系统、通电负载等。

2.1 控制子系统

2.1.1 PC104 单板机

测试系统采用MSM800 系列PC104 型单板机，CPU 为主频率500 MHz 的GEODELX800，配置有BIOS ROM、并行接口、IDE 硬盘接口、2 个RS232 串行通讯接口、键盘接口、LCD/VGA 视频接口、PC/104的ISA 总线、PC104+的PCI 总线、鼠标接口、4 个USB 2.0 接口等，体积小、扩展性强，可方便地连接到各型DAQ 板卡和触摸显示屏，可搭载WINDOWS XP 操作系统[2]。

2.1.2 触摸显示屏

由于实际工作现场环境恶劣、工作场所地域跨度大，对测试系统工作环境温度指标要求较高，经过反复参数比对，最终选用研华公司的FPM-2120G工业触摸显示屏，该显示屏采用铝制面板，设计牢固，屏幕采用钢化玻璃，具有反光功能，符合IP65标准，并搭配了电阻式触摸屏和VGA 接口，能够与PC104 单板机进行快捷联机[3]。

2.2 数据采集系统

2.2.1 A/D 板卡

采集信号中，频率最大的交流信号为400 Hz，并且要求三相同时采样，所以采集信号最高频率实际为fmax=400×3 Hz，即fmax=1.2 kHz，根据奈奎斯特采样定律，采集系统的A/D 转换频率应满足fs≥2×fmax，即fs≥2.4 kHz。

同时系统要求的测量精度为0.5 级，即测量误差为5‰，综合系统误差和转换误差，满足系统要求的A/D 芯片转换精度要达到10 位以上，即满足分辨率大于1‰。

据上述指标分析，最后采用了研华公司的PCL818L型数据采集板卡，该板卡为单端输入的ISA 板卡，转换速度为40 K/S，转换精度为12 位，转换通道为16 单端通道或8 路差分模拟量输入，每个通道的增益可以变成符合系统要求，可与PC/104 的ISA 总线进行连接。

2.2.2 信号处理电路

1）交流电流信号调理

系统加载时的交流电流范围为0～90 A[4]，为了实现向小电压信号的变换，采用的检测方案为先通过一个300 A/5 A 的交流电流互感器，将0～300 A大电流线性转换至0～5 A 小交流，然后再通过5 A/1 mA 的交流电流互感器T1将电流转换至0～1 mA，再继续通过1 mA/1 mA 的精密电流型电压互感器T2进行隔离，输出端通过50 Ω 的电阻，将电流变为0～50 mV 直流电压。具体电路图如图2所示。

图2 交流大电流转换为小电压信号电路图Fig.2 Diagram of converting large AC current into small voltage signal

为了将此电压转换成可被A/D 板卡接收的0～5 V直流电压，需要进一步进行信号处理，采用的方案为通过两级运算放大处理，第一级进行放大，第二级进行电压跟随，提高带负载能力[5]，具体的电路图如图3所示。

图3 信号处理电路图Fig.3 Signal processing diagram

采用了低温漂的OP77GS 作为运算放大器，为了提高共模抑制比，采用了同相输入比例运算放大方式[5]，其中C1滤波电容完成信号高频信号滤除，运算传递函数为

将各个电阻的阻值带入进行计算可得到：

R4的取值范围为0～150 k，使用时将其调整到98 k 阻值，可计算出：

即可有效地将0～50 mV 交流微电压变为0～5 V交流电压，同时有效地解决了共模抑制比问题。

2）交流电压信号调理

系统加载时的交流电压范围为0～115 V，为了实现向小电压信号的变换，采用的检测方案为先通过3 个100 kΩ 串联电阻，将0～300 V 大交流电压线性转换至0～1 mA 小交流电流，然后再通过1 mA/1 mA 的精密电流型电压互感器T1进行隔离，输出端通过50 Ω 的电阻，将电流变为0～50 mV 直流电压。具体电路图如图4所示。

图4 交流大电压转换为小电压信号电路图Fig.4 Diagram of converting large AC voltage into small voltage signal

为了将此电压转换成可被A/D 板卡接收的0～5 V 直流电压，需要进一步进行信号处理，采用的方案与交流电流的检测方案相同。

2.3 执行控制系统

2.3.1 I/O 板卡

系统采用研华公司PCL730 开关量控制板卡，该板卡具有32 路隔离通道，驱动电流可达200 mA，能够实现对功率放大电路的驱动，符合系统要求，与PC/104 的ISA 总线的联机便捷[6]。

2.3.2 功率放大电路

功率放大电路完成控制信号的隔离控制及功率放大，主要进行了开关量信号调理电路的设计。该电路通过光电隔离器件将开关量信号进行输入和输出的隔离处理。隔离芯片型号为东芝PS8701，隔离电压≥3 kV，响应速度≤1 μs，抗震性能优良[7]，适合本系统。具体电路如图5所示。

图5 开关量信号调理电路Fig.5 Switch signal conditioning circuit

2.4 通电负载

2.4.1 负载电路设计

航空地面交流电源供电要求[8-9]：①交流电源115 V （相电压）/200 V （线电压），400 Hz 三相四线制；②额定电流为90 A；③突变功率因数为1.0 的80%额定电流加载（国军标规定检测内容）；④突变功率因数为0.6（滞后）的150%额定电流加载（国军标规定检测内容）。负载设计框图如图6所示。

图6 负载设计框图Fig.6 Load design block diagram

C1接触器工作时，C2、C3接触器不工作，电路加载90 A 纯电阻负载。

C1、C2、C3接触器工作，L1、R1、R4配合，L2、R2、R5配合，L3、R3、R6配合，使cosφ 由0.6～1 可调加载，电流范围60 A～90 A 之间。

2.4.2 材料选择

以往的电源通电试验时，负载材料多为康铜丝，近年来陆续出现很多新型材料[9]，课题组先后对康铜、铁铬铝、镍铬带进行加载试验，从耐受高温、工作寿命及机械性能等多方面进行比较，最后选定铁铬铝为负载材料，该材料耐受高温、工作时间较长、温度漂移系数低，符合该负载制作。采用耐高温陶瓷作为支撑架，解决了负载在高温下机械性变化而发生粘连的问题，采用了强制风冷方法进行加载过程中冷却。

3 软件系统

采用基于WINDOWS XP 操作系统的C++BUILDER 模块化编程语言完成软件系统的开发，主要内容包括：显示界面设计、板卡硬件驱动程序开发和封装、电信号算法设计、波形显示及调用回放等程序开发[10]，部分软件设计示例如图7、图8所示。

图7 交流相序相移等测试Fig.7 AC phase sequence phase shif test，etc

图8 交流波形品质测试Fig.8 AC waveform quality test

4 实际应用

文中测试系统在多个飞机地面保障场所投入使用。自应用以来，能够在飞机启动供电前，完成对航空地面交流电源供电性能的检测，节省大量人力物力，提高了装备的保障效率，使用价值较高。

5 结语

本文设计了以PC104 系列单板机为核心的航空地面交流电源供电性能测试系统，结合交流负载设计和电量处理技术实现了航空地面交流电源供电性能的测试，解决了目前飞机地面保障在该领域测试方法单一及效率低的问题，具有较好的应用前景，同时对其他类型航空地面测试仪器的研发具有一定的借鉴意义。