基于直升机电气负载自动管理系统负载通道故障分析

于浩

（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333000）

0 引言

电气负载管理中心是配套于直升机电源系统的机载产品，其主要功能是接收负载监控器控制指令，上传负载状态信息完成直流正常汇流条、直流应急汇流条和交流电源至各负载的供电分配功能，电气负载自动管理系统由1台负载监控器和2台电气负载管理中心组成。电气负载管理中心替代率以断路器和继电器为核心的传统配电装置，是以固态配电技术为基础的新一代配电产品，实现了二次配电的远程区域自动管理，并具有过流保护、短路保护的功能[2-6]。

1 故障分析

在地面通电时对负载监控器进行负载接通操作，负载状态显示中，偶尔出现通道无法接通，且通道状态显示反应迟缓现象，通过对原理电路进行分析，得出故障树如图1所示。

图1 SSPC通道短路保护故障树

通过分析出现故障的原因可能为：(1)负载监控器操作面板按键故障；(2)负载监控器通讯电路故障；(3)电气负载管理中心SSPC通道故障；(4)电气负载管理中心RS422收发器异常；(5)电气负载管理中心板卡单片机通讯异常。

为使故障准确定位，对上述5点原因进行排除分析。

1.1 负载监控器面板按键检查

在不通电的情况下检查负载监控器控制面板按键，查看是否有按下后无法弹起的情况，通过多次按压周边所有按键，发现按键都能正常弹起，排除了按键机械故障导致主控芯片无法识别到按键操作的原因。

地面通电进行故障排查，对所有负载通道依次进行开通操作（此操作会按压到面板上的所有按键）发现，有负载通道需要按压多次后才能显示开通状态，状态显示缓慢，但这些负载通道对应的按键在其他负载界面，按压开通时，对应负责状态返回及时，无显示缓慢现象，有时重启后，缓慢现象可以消除，主控芯片可以识别到按键操作，排除了按键触点无法接触的故障原因。

1.2 负载监控器通讯电路检查

负载监控的背板为一电磁兼容组件，所有引线通过小容值的穿心电容连接到插头，穿心电容的屏蔽层连接到外壳，避免电磁干扰，如图2所示。若通讯线所接的穿心电容损坏或出现异常，将会导致通讯的波形出现畸变，出现数据丢包或通讯异常现象，正常情况下，所有针脚对外壳的电阻值应趋近于无穷大，如出现异常或损坏，针脚对外壳可以测得一个电阻值，取下负载监控器后用万用表进行测试，发现针脚对外壳的电阻均为无穷大，可以排除穿心电容损坏导致通讯电路故障的原因。

图2 背板示意图

将负载监控背板取下后静态观察器件焊接情况，发现焊接焊点良好，无虚焊漏焊问题，管脚之间没有发现多余物，排除了焊接问题对通讯电路带来的影响。

为了能够进一步缩小故障定位范围，确定故障原因，更换一台新的工作正常的负载监控器进行多次地面通电试验，故障显现依旧存在，至此可以排除负载监控故障原因，故障定位到电气负载管理中心。

1.3 电气负载管理中心SSPC通道检查

根据反馈，除状态显示缓慢外，有时自动打开负载通道后，偶尔负载监控上“吸气风扇”等负载通道或仅“吸气风扇”负载通道显示任然为关断状态，重新上电后有时状态显示能恢复正常，至此可以判断出SSPC通道的状态识别电路正常。

多次进行负载接通操作后，故障现象出现，“一发灭火”、“二发灭火”等负载通道显示状态为关断，通过用万用表在电气负载管理中心接口上实际测量，可以检测到28V电压输出，由此可以判断SSPC通道的功率器件和驱动电路均是正常的，且能够正常接收到负载监控器的控制指令，打开负载通道，故障原因应为负载管理中心回传的RS422信号出现异常，监控器无法正常接收到上传的状态信号导致的故障。

1.4 气负载管理中心RS422通讯总线检查

电气负载管理中心由11块SSPC组件板卡构成，每块组件板卡上都有1颗RS422通讯芯片，如通讯芯片损坏，那么此板卡上的所有通道都应该无法接通，或状态显示都无法回传。但实际故障情况只是某一块板卡上的一路或几路通道状态信息无法回传，其余通道状态信息能正常回传，且通道都可以正常接通，因此可以排除RS422收发器故障原因。

通过上述故障排查，且可以排除掉负载监控器下发的控制指令不正确原因，我们可以定位到板卡单片机异常，偶尔处于不停复位或长期复位状态，复位时无法对板卡的RS422芯片进行控制，复位时导致负载管理中心的发送总线被占用，无法正常进行指令回传而造成的状态显示缓慢和开通状态无法回传的故障现象，通过偶尔出现仅“吸气风扇”负载通道显示为关断状态，我们定位到该板卡的单片机复位信号异常。

2 故障复现及定位

2.1 板卡周期性复位试验

将“吸气风扇”所在板卡的喂狗信号去掉，使该板单片机周期性处于复位状态，用负载监控器控制管理中心进行通道开通操作，出现负载通道按下开通按键后，负载开通状态回传缓慢现象，且“吸气风扇”负载通道无法开通，故障现象得到复现。

2.2 板卡不间断复位试验

将“吸气风扇”所在板卡的复位信号和3.3V短接，使该板卡单片机一直处于复位状态，用负载监控器控制管理中心进行通道开通操作，出现负载开通状态无法回传，但负载管理中心执行开通操作，在接口上可以测到输出电压和机上故障状态一致。

2.3 故障定位

通过上述测试，对板卡进行周期性复位试验和不间断复位试验，出现的故障现象和机上一致，故障问题得以复现。通过上述试验及分析，故障可以定位为“吸气风扇”所在板卡的单片机处于周期性复位或不间断复位状态，复位时无法对RS422通讯芯片进行控制，使得该发送总线周期性或一只处于占用状态，无法正常进行指令回传而导致的故障现象。

3 机理分析

RS422通讯总线工作原理如图3所示。

从图3中可以看出，电气负载管理中心11块SSPC组件板卡的RS422通信芯片全部挂接在同一条RS422通讯总线上，每块板卡上RS422通讯芯片的控制原理和电路方式一致，由图中可以看出，由于电气负载管理中心为下位机，实时被动的接收负载监控器下发的控制指令，因此芯片的接收使能端接地，处于一直使能状态。

图3 RS422通讯总线工作原理

而同一时刻只能有1块板卡的RS422芯片占用发送总线，否则会造成数据紊乱，因此每块板卡的RS422芯片发送控制端通过单片机P3.5引脚进行控制，高电平发送使能RS422总线(TXD-和TXD+处于被占用状态)，低电平禁止发送使能RS422总线(TXD-和TXD+处于空闲状态)，所有单片机上电复位完成后对芯片进行初始化，P3.5引脚输出低电平使RS422总线的发送端处于空闲状态。

当接收到负载监控器下发的控制指令后，每块板卡对指令进行解析，正常情况下同一时刻只会有一块板卡的RS422通信芯片占用发送总线，上传负载通道状态等信息，并且在上传完成后恢复发送总线通道空闲。

单片机为高电平复位，且复位的时候所有引脚输出为高电平，即复位时P3.5为高电平，TXD+、TXD-总线处于被占用状态，因此在电气负载管理中心正常上传负载状态信息的过程中，如某一块板卡的单片机异常复位，那么此时将出现同一时刻TXD+、TXD-总线同时被两路RS422通讯芯片占用，发送的数据将会异常，负载监控器无法正常解析，因此无法显示负载状态，但如下一个或几个查询周期异常复位的单片机恢复正常，电气负载管理中心能正常上传负载状态信息，开通的负载状态信息延迟一个或几个周期重新上传显示，这样就造成了开通状态显示缓慢的情况。如果在整个查询周期异常复位的单片机一直处于复位状态，一直占用发送总线，那么会造成状态显示一直无法更新，但实际接口上已经输出电压的故障现象。

为复现故障，并做了以下故障复现试验：板卡复位试验。试验结果为出现显示缓慢和状态显示无法接通现象，故障复现。

4 纠正措施

通过在机上取下“吸取风扇”所在的板卡，多次进行地面通电试验，除“吸取风扇”所在板卡的负载通道，其余负载通道无接通状态显示缓慢情况，且所有通道能够正常开通。

取下板卡后我们认真分析故障原因，图4为单片机复位电路原理图，复位信号通过三级管Q1的C极输出RESET信号，正常工作时RESET信号为低电平。

图4 复位电路原理图

正常通电时测试三极管RESET输出为低电平，控制极为高电平，三极管导通处于工作正常，轻微按压三极管，RESET信号会变成3.3V，单片机复位，通过观察板卡发现，三极管的焊接未按照正常工艺，完全贴合在印制板上，取下三极管后发现三极管的外壳已将印制板的阻焊层刮破，露出铜线，通过实际测试，三极管的外壳和E极（发射极）处于连通状态，而刮破的铜线为三级管的B极（控制极），当板卡安装到电气负载管理中心，通过锁紧器固定板卡时，印制板会有轻微形变，导致了外壳刮破铜线（E极和B极处于临界短路状态），短路时造成三极管关断，RESET输出高电平造成单片机复位，我们取下三极管后按照工艺要求重新进行焊接，按压三极管，印制板工作正常。

正常的工艺焊接流程为：三极管焊接时，三极管距离印制板高度应留有1~2mm间隙，如图5所示。且完成调试后，对其进行三防和灌封处理。

图5 三极管焊接实物图

针对上述故障原因，主要采取以下措施：在《工艺规程》中对每块印制板三极管的焊接要求做明确规定，明确要求三极管离印制板的高度，并设置交检项，质检人员严格按照焊接要求进行检查。

5 验证试验

针对上述故障，将电气负载管理中心备件重新进行了72小时不间断高低温试验和随机振动试验，且在试验过程对负载通道每30分钟进行一次负载接通、关断操作，并观察负载状态显示情况，整个试验过程中产品工作正常，试验结束后质量部对其进行了重新验收，产品功能性能满足要求。并对其进行装机验证，将备板装配到直升机上，通过多次地面试验，负载开通状态信息无显示缓慢现象，且所有负载通道都能接通，确认电气负载管理中心正常工作。

6 结论

负载监控器上，负载状态显示通道无法接通，接通状态显示反应迟缓，故障定位为“吸气风扇”所在板卡的单片机处于周期性复位或不间断复位状态，复位时无法对RS422通讯芯片进行控制，使得该发送总线周期性或一只处于占用状态，无法正常进行指令回传而导致的故障现象。改进措施有效，经过地面通电和飞行验证，确认电气负载管理中心可重新正常工作。