直升机交流电源系统电压跳动故障分析

2024-03-19裴翔李铮

电子制作 2024年4期

裴翔，李铮

（1.中国直升机设计研究所，江西景德镇，333000；2.中国人民解放军91548部队，辽宁兴城，125100）

0 引言

直升机交流电源系统一般由三部分组成：交流发电机、交流发电机控制器和电流互感器[1～2]。交流发电机一般由主减或APU 驱动，由交流发电机控制器控制向机上提供三相交流电；交流发电机控制器用于交流电源系统电压调节与故障保护，控制交流发电机的并网，并将交流电源系统相关数据、状态通过总线上报给上位机进行显示和记录；电流互感器与交流发电机、交流发电机控制器配套使用，作为交流电源系统主馈线差动保护检测部件，并检测交流发电机输出电流[3～4]。本文通过对直升机交流电源系统飞行过程中电压跳变进行故障分析，通过故障树的方法进行故障定位，提出有效改进措施，避免后续出现同类型故障。

1 概述

直升机在地面起动过程中，拨动交流发电机开关，交流发电机正常发电并网；直升机飞行一段时间后，机上上报交流电源系统故障。后续从飞参记录数据上查询，交流发电机电压跳动后在某段时间内掉为零，同时上报交流电源系统故障。

2 故障定位分析

根据故障现象分析，直升机交流电源系统电压跳动故障可能由交流发电机控制器导致，依据油冷交流发电机控制器的工作原理，建立产品电压跳动原因故障树见图1 所示。

图1 电压跳动故障树

由故障树可知，导致产品电压跳动的原因有：

(1)控制器线路故障；(2)调压点采样电路故障；(3)调压芯片故障；(4)励磁继电器故障；(5)发电机开关抖动；(6)控制器软件复位。

对上述故障原因进行逐一分析：

(1)控制器线路故障

在放大镜下检查故障件，故障件无虚焊焊点，线路没有烧灼和损伤迹象。给故障件通+28V 电与115V 调压点电压做开环测试，通信中发送800 个数据，通过串口通信测得接收3200 个数据，过压、欠压、过频、欠频性能测试均正常。可确定控制器线路无故障，因此控制器线路故障的因素可以排除。

(2)调压点采样电路故障

调压电路采样是将调压点电压（三相交流电压）经过整流、滤波、分压后的电压（图2 中的TP1 电压信号）采集到脉宽调制芯片，若调压电路采样故障会引起TP1 点电压变化，从而影响发电电压值。

图2 调压采样电路

给故障件通28VDC 工作电压，调压点施加三相100VAC、105VAC、110VAC、115VAC 电压，用万用表测得TP1 点电压值分别为4.437VDC、4.650VDC、4.868VDC、5.084VDC，符合设计要求，用记录仪观测115VAC 时TP1 点电压波形如图3 所示，可见调压采样电压没有波动，因此产品调压点采样电路故障的因素可以排除。

图3 115VAC 时TP1 电压波形

(3)调压芯片故障

调压芯片（图4 中的U10）是将通过输出PWM 波（U10的11 脚和14 脚）控制励磁功率管（图4 中的Q6）的开关从而控制励磁电流，从而实现电压的调节，其原理如图4所示。若调压芯片故障则使故障件失去电压调节功能。

图4 调压电路

给故障件通28VDC 工作电压，调压点施加三相115VAC 电压，用示波器测试脉宽调制芯片的各个引脚电压与波形均正常。调节交流电源输出115.5VAC 电压通过记录仪观测到输出PWM 波周期为91.5μs，如图5 所示，高电平导通时间为82μs,如图6 所示，占空比为89.6%，改变三相电源的输出电压，占空比逐步变化，如图7 所示，符合设计要求。可确定调压芯片无故障，因此调压芯片故障可以排除。

图5 调压芯片周期值

图6 调压芯片PWM 波高电平导通时间

图7 调压芯片占空比变化图

(4)励磁继电器故障

电机的PMG 电压通过励磁继电器（图8 中的K3）到故障件内部后整流成励磁电压。若励磁继电器因故障跳动，故障件内部励磁电压也将不连续，电机的发电电压跳动。对控制器开环测试，用三相交流电源模拟PMG 电压，直流电源给出励磁继电器的控制器信号，使励磁继电器接通，记录仪监测PWR 与PWR GND 之间的电压波形均正常，如图9所示。可确定励磁继电器无故障，因此励磁继电器故障可以排除。

图8 PMG 电压整流程励磁电压

(5)发电机开关抖动

若发电机开关抖动，则会导致励磁继电器控制信号抖动，使励磁继电器跳动，导致发电电压跳动。故障件闭环做发电测试，用记录仪检测发电机开关信号正常，未出现跳动如图10 所示，且软件中已进行防抖处理。可确定发电机开关无故障，因此发电机开关抖动可以排除。

图10 发电开关电压波形

(6)控制器软件复位

故障件正常做发电测试，拨发电开关，励磁继电器出现跳动，用示波器监测励磁继电器控制信号和励磁电压信号，如图11 所示。从图上看，信号具有60ms 周期性，软件中使励磁控制信号为高的时间也约为60ms，因此可以判断是软件复位导致励磁控制信号跳动，使发电电压跳动。

图11 励磁控制信号与励磁电压信号

在电压跳动过程中，系统刚发电时监测到系统地线上的尖峰信号较多，且只有励磁电流接通瞬间，尖峰信号会很大，用示波器检测系统地线与励磁地线PWR GND 上的电压差，如图12 所示。

图12 系统地线与励磁地线电压差

综上所述，导致产品电压跳动的原因为系统地线与励磁地线PWR GND 在励磁接通过程与系统地有很大压差，导致DSP 的信号地受到干扰，使DSP 重启。DSP 重启复位初始化过程中，励磁继电器将断开，发电电压变低；DSP 正常工作后判断满足发电条件，励磁继电器会吸合，又重新发电，上述循环不断往复，使发电电压电压跳动，故障定位。

3 机理分析

在产品内部，地信号有28VGND、DGND、GND 与PWR GND，其功能如表1 所示，交联关系如图13 所示。

表1 地线功能表

图13 地线交联关系图

图14 电源监控电路

根据问题定位分析，导致电压跳动的机理为：调压芯片通过输出不同占空比的脉冲控制MOS 管的通断来控制励磁电流的大小。在发电过程中，励磁功率管快速开关，在功率管导通瞬间在励磁地上产生较大的尖峰电流，尖峰电流通过地线回路，尖峰电流会抬高地线电压至1V 左右（见图12），此电压的存在会使作用在DSP 芯片上的5V 电压出现4V 左右的尖峰电压。电源监控芯片用的是MAX1232，按照图13 的接线方式，最大允许电源的误差为5%即（4.75～5.25）V，在遇到4V 的尖峰电压时，电源监控芯片会触发复位指令，使DSP 复位重启。DSP 复位重启初始化过程中，励磁继电器将断开，发电电压变低；DSP 正常工作后判断满足发电条件，励磁继电器会吸合，又重新发电，上述循环不断往复，使发电电压电压跳动，故障定位。

4 故障复现

对故障件故障复现测试，先将该产品的PWR GND 与GND、DGND、28VGND 隔离开来，闭环发电试验，控制台将电机的转速设为12000rpm，接通发电开关，产品发电并网均正常。多次试验后，发电并网也正常。将该产品的PWR GND 与GND、DGND、28VGND 短接起来，进行发电试验，接通发电开关，多次试验后，励磁继电器控制信号出现高低电平变化，使励磁电压不停跳动，不能并网，与机上现象一致，问题复现。用示波器监测的励磁继电器控制信号与励磁电压信号波形如图15 所示。

图15 励磁继电器控制信号与励磁电压信号

5 改进措施

根据问题定位及机理分析，采取的主要措施如下：

(1)取消产品内部PWR GND 的地线回路，即PWR GND 不与任何地线相连。对于GND、28VGND、DGND 仅在各自独立电源回路的末端连接即在母板上相连后经滤波器接到飞机壳体上。各自电源闭环走完回到各自电源的地线上，在各独立电源末端端口处连接，这样就不会出现不同类型的电流信号在信号板上共用相同回路的情况，从而降低不同类型的电流信号彼此之间的干扰。改进后的地线如图16所示。

图16 改进后地线图

(2)为防止因干扰引起DSP 复位，致使发电故障，增加锁存电路如图17 所示。基本原理如下：在正常发电过程中，锁存器U66 的11 脚为高电平，可以将DT1 调压芯片的使能信号、DCR TRIP 励磁继电器断开信号、DCR CLOSE励磁继电器闭合信号、DGB RELAY 接触控制器信号进行实时传输，保持信号的时效性。若遇到干扰使DSP 复位，锁存器U66 的11 脚为低电平，进入锁存状态，使DT1、DCR TRIP、DCR CLOSE、DGB RELAY 维持干扰前的状态，干扰不会影响信号变化，待干扰过去后，U66的11脚变为高电平，又能实时传输信号。

图17 锁存原理图

锁存原理如表2 所示。

表2 锁存电路工作表

当上电完成后，接通发电机开关，DSP 给发电并网信号相应电平，准备发电的状态。当锁存器打开后，信号通过锁存器后发电。当DSP 复位时，为低电平，芯片被锁住，信号不能传递，维持之前的发电状态。当DSP 复位完成后，准备发电状态，将芯片解锁，发电状态仍然保持。根据上述原理，对软件进行相应更改。相比上一版的程序，增加了在进入主程序前，进行频率采集与接通励磁操作。当上述操作准备好后，打开锁存器，进行状态锁存。