一种飞机电源网络测试技术的研究

2022-09-01张宇翔冯锐莉

科技创新导报 2022年14期

张宇翔冯锐莉

（航空工业陕西飞机工业有限责任公司陕西汉中 723213）

飞机机载平台集成越来越多的电气设备，系统综合集成程度大幅提高，系统间深度融合和交联，这种系统高度集成架构显著增加了机上系统功能实现和逻辑控制的复杂度，使得飞机系统试验复杂程度也随之增加［1］。本文提出了一种基于飞机机载平台供电网络的分布式测试系统模型研究，以实现测试系统的可靠性及精度均满足的研究，通过试验数据采集与处理，实现系统远程监测与控制，为工程技术人员对飞机机载电源系统测试框架提供一种解决思路。

1 国外飞机电源综合测试系统简介

国外飞机设计制造公司在飞机（如F-35、B787、B777、A380、A-400M、A320/340、LCA、EMB-170/190、Dornier 728、M346）的设计研制中，对电气测试系统的研究已经从自身BIT 技术研制发展到了ATE 及ATS。各种测试系统的建立均是为评估飞机供电系统网络的功能及性能是否满足飞机机载电源网络系统设计要求。

2 飞机电源综合测试系统方案

2.1 飞机电源综合测试系统主要测试内容

主要针对整机的交流电源系统及直流电源系统的空载、带载逻辑转换及电特性测试，保证飞机整机电源系统的设计符合性，并增加各测试点位置，来分析电路压降、浪涌对电网各部分的冲击情况进行测试。在带载情况下，模拟负载工作对整机电源系统交、直流的影响进行测试，并利用模拟负载对电网系统进行故障注入模拟，以测试电网的自我保护及各分段保护特性。具体涵盖的内容如下。

2.1.1 交流稳态参数

交流三相稳态电压、电流、频率、功率、功率因数、相移、相不平衡；波形参数（单次谐波含量、总谐波含量、波峰系数、偏离系数、交流电压畸变频谱、畸变系数、直流分量）；交流电压调制量、电压调制频率特性、频率漂移、频率漂移率、频率调制。

2.1.2 交流瞬态参数

在自动加载、卸载过程中，测量交流电压浪涌、瞬态电流、瞬态频率；同步记录过渡过程中的多个电压电流通道波形。

2.1.3 直流稳态参数

直流电压、电流、直流脉动电压、直流畸变系数、直流畸变频谱。

2.1.4 直流瞬态参数

在自动加载、卸载过程中，测量直流电压浪涌、瞬态电流；同步记录过渡过程中的多个电压电流波形。

2.2 电源综合测试系统总体模型设计

电源网络测试系统模型由基本硬件及软件平台两部分组成。硬件主要功能是测控系统、网络数据传输、故障注入、显示打印等功能，软件功能主要是驱动、硬件控制。

2.3 电源综合测试系统硬件模型设计

电源网络测试系统硬件设计模型主要包含基于网络系统管理计算机、终端网络测试计算机、同步时序控制系统、两台PXI数据采集系统、基于数据采集的信号调理和负载控制箱、基于数据交换的工业以太网交换机、其他I/O接口及打印输出功能等。

测试系统中，基于网络的测试管理计算机，其功能主要是负责测试系统的运行状态管理及试验数据的采集、传输及测试原始数据的管理，为测试者全面了解电源综合测试系统及管理和监控。终端网络测试计算机功能为飞机供电特性测试和基于GJB181A的负载特性测试。供电特性测试计算机功能为对飞机各交、直流发电机、调压点电压、交流和直流汇流条电特性和飞机其他机载测试系统的测试；基于GJB181A 的负载特性测试计算机完成对各种大功率机载用电设备、机电设备故障注入点的测试。测试系统的数据采集功能主要实现从被测试机载设备上获取数据，可选用PXI 数据采集卡进行采集，每块板卡有若干路模拟量输入通道，各类板卡通过PXI机箱的数据总线进行同步采集及传输，同步卡采用两块PXI采集卡，实现多块数据采集卡的若干个通道的同步，保证了采集的被测信号严格同步。

2.4 信号采集传感器与信号调理功能

信号采集传感器模块包括电压传感器、电流传感器、转速传感器等，由传感器将信号转换后，经隔离电路及信号调理模块进行整形、放大、滤波等调理后输入数据采集卡［2］。测试系统所采集的信号类型包含了飞机电源网络中电气系统的各种电压及电流信号。通过传感器采集到的电压模拟信号直接进入调理箱进行处理，经过取样电阻调压后，输出测试系统；通过传感器采集的模拟电流信号先转变为电压信号，再由取样电阻调理后进入测试系统。

2.4.1 信号调理电源

信号调理电源的设计非常重要，可先设计电压通过EMI 滤波器滤波。EMI 滤波器主要是由共模滤波器、差模滤波器两个部分组成，EMI滤波器主要特点是使信号调理电源的抗干扰能力增强，避免受到电网对电源的干扰。由于电网测试获取的直流电的纹波干扰很大，对测量电路影响较大，可考虑在电路模块中增加了一个防干扰功能的滤波模块，衰减纹波干扰，使输出纹波Vp-p达到10mV以下。

2.4.2 电压信号调理电路

测试系统中包含多路115V/400Hz 交流电压的测试通道，直流28V 有若干通道，根据飞机的供电类型。可预留220V/50Hz 测试通道。交流115V/400Hz 和直流28V信号都通过采集信号电压调理后由PXI数据采集卡进行采集。预留的220V/50Hz隔离电压采集与电压传感器可以兼顾使用，220V电压信号先通过取样电阻也将电压信号转换成电流信号，为防止弱电压信号形成干扰，可由电压传感器进行隔离、比例变换输出电流信号，此采集方式可将信号通过取样电阻将电流信号转换成电压信号。

2.4.3 电流信号调理电路

电流信号的测试选择电流传感器进行完成。电流信号通过电流传感器输出的取样电阻获得，取样电阻上采集的电压信号经过放大后送入PXI 数据采集卡，测试所选用的取样电阻阻值和运算放大器的放大倍数可考虑实际设计使用要求及环境，并同时考虑所采用传感器的技术参数进行决定。

2.5 测试系统软件功能

整个测试系统的软件基本分为两个：一是运行在试验数据及网络管理计算机上的试验管理软件，二是测试所需要达到的功能软件。功能软件主要完成GJB181-1986测试、GJB181A-2003测试及本地波形监控回放等基本功能。在GJB181-1986 和GJB181A-2003规定的测试参数可先记录测试数据，其特性参数可单独分析，也可实现多个特性参数同时进行分析。本地波形监控功能同步实时采集系统中多个通道的所需波形，来实现对测试数据的存储、回放和测试报表生成和打印等功能，也可对测试数据进行挖掘，形成电网络系统的评价。

3 测试数据信息管理

测试数据信息管理也是测试环节中不可或缺的重要环节，主要包括数据的存储和访问。试验数据管理信息可为设计提供重要的飞机设计信息，以拓展飞机的各种性能。通过信息化手段的试验数据管理，改善传统的查询方式，优化数据处理流程和处理质量。

4 测试系统的关键技术研究

4.1 时序控制技术

测试系统的时序控制是对所触发、记录、回放及系统时间的控制，其控制结果直接导致测试结果的准确性及数据分析的正确性。测试系统的时间控制一般分为两级。一级可借助具有GPS绝对时间的授时来达到测试系统各终端之间秒级甚至毫秒级的同步，以此来规划统一的时间基准，便于区分系统各部分事件发生的时间；另一级是PXI机箱时钟同步，记录系统事件的先后顺序，使测试系统在进行数据采集时达到各相关采集通道之间相互同步，并保持一定时序的精准性。

4.2 实时数据采集传输技术

一般测试系统硬件构架中的不同测试设备或不同测试系统通过实时网络实现，一般可采用依靠光纤线缆完成，光纤具有很好的数据实时性、传输准确性、数据量交换便捷等特点，可保证数据具有良好的实时通信功能。

5 飞机电源综合测试系统模型故障注入的技术研究

5.1 电源综合测试系统模型物理的故障注入方法

飞机约32%电源系统故障是由物理性集成故障导致的［3］，测试系统对故障注入当方式一般是基于物理特性的。故障注入的实现方式非常多，一般可由硬件实现、软件实现。对环境的电性能干扰可结合物理干扰、电源干扰、电磁干扰等，也可设计为一种可在硬件设备的辅助之下，模拟故障注入于所预设的测试系统的硬件中。

5.2 电源综合测试系统模型物理的故障注入工具

一般来讲，基于物理特性的故障注入工具的设计可包含具有故障预设功能的试验系统控制器、测试系统软件及硬件运行监测的行为监视器、故障注入触发、数据收集和数据分析、故障对照分析等部分。具有故障预设功能的试验系统控制器是用于对整个故障注入试验进行控制的软件，在预设的软件终端系统上置入。故障注入主要将需要运行目标系统中注入预设故障类型的功能。测试系统软件及硬件的行为监视器辅助对执行模块的跟踪，并在预设的故障数据收集触发点对数据收集器的启动执行。

5.3 电源综合测试系统模型的故障注入实施内容

模拟供电系统可能发生的各种典型故障，验证供电系统的保护功能是否完善和符合设计要求，即电源系统保护功能是否完善、电源与电网保护功能的匹配性、保护装置与导线的匹配性、保护装置设置的合理性及保护逻辑关系的正确性。

5.4 电源综合测试系统故障注入及查询研究的发展趋势

考虑到飞机电源系统在研制生产和运行使用阶段会产生包括设计生产数据、运行使用数据、维修保障数据等大量非结构化文本数据，利用知识图谱技术，可以从上述非结构化文本中提取知识，实现非结构化知识的统一规范化表达，进而支持电源系统的故障诊断，提高基于知识的故障诊断的自主化程度、可解释性和诊断精度［4］。

在现阶段对故障注入的不同研究方法，借助于预设故障的构造、时机、注入、获取的研究中，必须是软硬件实现方法相结合、软件与模拟共同来实现故障的注入研究。考虑到用户在不能给出明确的查询意图时，搜索系统难以精准捕获用户的兴趣的问题，提出了人机混合的知识图谱主动搜索［5］。

通过查询相关文献，常用的故障检测技术主要有4种，即机上自检BIT技术、地面定期检测、模拟在线监测及智能诊断［6］。对测试系统中搭配的软件及硬件来实现故障注入，应充分考虑整个系统速度匹配性、时间分辨率的控制、触发注入条件的选择、注入效果分析及跟踪处理。目前的研究中，对故障的注入方法的应用及结果可对测试系统的系统可靠性和健壮性方面的评估可发挥拓展性作用。