艾 莉 王 梅 劉衛(wèi)華 王建生

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

航空地面電源是飛機(jī)地面保障的主要設(shè)備之一[1-2]，是航空保障設(shè)備使用過(guò)程中的關(guān)注重點(diǎn)[3]，飛機(jī)地面維護(hù)檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、科研試驗(yàn)等均離不開(kāi)地面電源提供的動(dòng)力。地面電源一旦出現(xiàn)故障，輕則延誤保障工作，延長(zhǎng)飛機(jī)出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間，重則可能造成飛機(jī)及人員的損傷[4]。通常對(duì)飛機(jī)地面電源的監(jiān)控都是通過(guò)一些儀器儀表對(duì)電源進(jìn)行檢查，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)地面電源中出現(xiàn)的問(wèn)題，效率較低；同時(shí)，儀器儀表本身的誤差及操作人員或多或少會(huì)產(chǎn)生的一些誤差，容易導(dǎo)致對(duì)地面電源的判斷出現(xiàn)較大的偏差。因此，本文提出一種數(shù)字化的地面電源監(jiān)控方法，該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高，可有效縮短地面電源的檢測(cè)時(shí)間，提高維護(hù)人員的工作效率[5]，提升飛機(jī)的可維護(hù)性及安全性。

1 地面電源監(jiān)控概述

當(dāng)?shù)孛骐娫聪蝻w機(jī)供電時(shí)[6]，周期性采集地面電源的電壓、頻率、相序（正常范圍：電壓105～121 V、頻率375～425 Hz、相序ABC或BCA或CAB），將符合飛機(jī)要求的地面電源接入機(jī)上電網(wǎng)，讓地面電源為機(jī)上負(fù)載供電；若地面電源發(fā)生故障，在地面電源故障期間進(jìn)行等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)。若地面電源在等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)期間恢復(fù)正常，則繼續(xù)由地面電源供電；否則在等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)后切斷地面電源，并通過(guò)總線向其上位機(jī)報(bào)告地面電源故障原因。

2 地面電源監(jiān)控的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 電壓監(jiān)控

2.1.1 電路原理

目前，對(duì)交流電源的采集主要有峰值采樣和有效值采樣兩種方式，此處采用峰值采樣（也叫峰值檢測(cè)）對(duì)交流模擬量的電壓進(jìn)行采集。峰值采樣就是在指定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出信號(hào)的最大值。

峰值采樣電路主要由降壓電路、精密半波整流電路、峰值保持電路、峰值泄放電路、多路選擇電路、跟隨器、AD轉(zhuǎn)換電路等組成，其實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1所示。

圖1 峰值采樣電路原理

2.1.2 電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，峰值采樣電路一般由一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器、二極管、電阻、電容組成。被測(cè)交流電源信號(hào)經(jīng)電阻分壓后，再經(jīng)過(guò)由運(yùn)放、二極管構(gòu)成的精密半波整流電路進(jìn)行整流。這里是將二極管的單向?qū)щ娞匦院头糯笃鞯膬?yōu)良放大性能相結(jié)合，對(duì)輸入交變信號(hào)進(jìn)行精密整流。

圖2 峰值采樣電路

當(dāng)輸入信號(hào)為正半周時(shí)二極管導(dǎo)通對(duì)電容充電，一直充電到峰值即最大值，當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周時(shí)二極管截止，電容不放電，保持電壓峰值。應(yīng)使用介電吸收盡量小的電容，不得使用電解電容。電容的正端電壓在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中漸趨穩(wěn)定，形成直流信號(hào)，該直流信號(hào)的電壓即為被測(cè)交流電源信號(hào)的峰值。

峰值保持時(shí)間由RC時(shí)間常數(shù)確定，一旦電容充電到峰值，則保持該峰值，為避免負(fù)載電容上由于積累電荷，從而影響下一相的峰值采樣結(jié)果，需要設(shè)置峰值泄放電路。峰值泄放電路如圖3所示。

圖3 峰值泄放電路

峰值泄放電路用于將保持電容上積累的電荷泄放掉。為了能將保持電容上積累的電荷泄放干凈，在泄放時(shí)，應(yīng)使保持電容正端的電壓小于0 V。通過(guò)軟件和可編程邏輯對(duì)峰值泄放回路進(jìn)行控制。信號(hào)VLOST為可編程邏輯器件輸出的TTL電平，V為穩(wěn)壓管。當(dāng)VLOST為高電平時(shí)，運(yùn)放輸出+15 V，三極管導(dǎo)通，三極管的集電極端輸出為負(fù)值，峰值泄放功能被啟用，將輸入被測(cè)信號(hào)的峰值電壓泄放掉，以保證下次峰值實(shí)時(shí)采樣的正常進(jìn)行；當(dāng)VLOST為低電平時(shí)，運(yùn)放輸出-15 V，三極管截止，三極管的集電極端輸出空開(kāi)，通過(guò)電阻上拉至+15 V，峰值泄放功能被禁止。

進(jìn)行BIT時(shí)，先讀取當(dāng)前采集結(jié)果，再在采集電路的MBIT處對(duì)地接入一個(gè)電阻（圖2），這樣相當(dāng)于給正常采集時(shí)對(duì)地的分壓電阻并聯(lián)了一個(gè)電阻，即分壓電阻的阻值發(fā)生了改變，從而使峰值采樣電路采集的結(jié)果按照一定系數(shù)發(fā)生改變。在軟件中可通過(guò)判斷這兩次采集到的電壓的比值是否在門限范圍內(nèi)來(lái)判斷BIT結(jié)果是否正常。

2.2 頻率監(jiān)控

2.2.1 電路原理

交流信號(hào)經(jīng)分壓后，進(jìn)入比較器，將交流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之頻率一致的方波信號(hào)，輸入到可編程邏輯器件內(nèi)，在可編程邏輯器件內(nèi)部通過(guò)邏輯實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。

頻率采集原理圖如圖4所示。

圖4 頻率采集原理

2.2.2 電路設(shè)計(jì)

頻率采集電路如圖5所示。

圖5 頻率采集電路

分壓后的信號(hào)Vin_1輸入到比較器的反相端，與同相端參考電壓Vref進(jìn)行比較。采用遲滯比較器電路（也叫施密特電路）進(jìn)行采集處理，遲滯比較器是一個(gè)具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器，通過(guò)在反相輸入單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋網(wǎng)絡(luò)，組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器，其傳輸特性如圖6所示。如將Vin_1與Vref位置互換，就可組成同向輸入遲滯比較器。

圖6 反相輸入遲滯比較器的傳輸特性

由于正反饋?zhàn)饔?，這種比較器的門限電壓是隨輸出電壓Vo的變化而變化的。這樣可防止輸入電壓在Vref附近出現(xiàn)干擾，輸出電壓時(shí)而為高、時(shí)而為低，導(dǎo)致比較器輸出不穩(wěn)定。它的靈敏度雖然低一些，但抗干擾能力卻得到了很大提高。

利用疊加原理有：

根據(jù)輸出電壓Vo的不同值（VOH或VOL），可分別求出上門限電壓VT+和下門限電壓VT-為：

由比較器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)比較器輸出低狀態(tài)時(shí)，等效于輸出端接地，即VOL≈0 V，當(dāng)比較器輸出高狀態(tài)時(shí)，等效于開(kāi)路，輸出端通過(guò)電阻R3上拉至+5 V，即VOH≈5 V，則由式（2）和式（3）可求得VT+和VT-。比較器輸出與輸入信號(hào)頻率一致的方波信號(hào)，如圖7所示。

圖7 波形變換圖

比較器輸出的方波信號(hào)輸入到可編程邏輯器件，在可編程邏輯器件內(nèi)通過(guò)邏輯實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。頻率測(cè)量通常有兩種方法，即計(jì)數(shù)法和計(jì)周法。計(jì)數(shù)法是指在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)，對(duì)輸入的周期信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)，被測(cè)信號(hào)的頻率越高，則相對(duì)誤差越小，這種方法適用于高頻測(cè)量。計(jì)周法是指在被測(cè)信號(hào)一個(gè)完整周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的脈沖計(jì)數(shù)，被測(cè)信號(hào)的頻率越低，則相對(duì)誤差越小，這種方法適用于低頻測(cè)量。這里采用計(jì)周法進(jìn)行頻率測(cè)量。

在邏輯內(nèi)，首先對(duì)輸入的頻率信號(hào)FREQ進(jìn)行二分頻，變?yōu)镈IV_FREQ信號(hào)，在DIV_FREQ信號(hào)的上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)，并在高電平內(nèi)保持計(jì)數(shù)，在DIV_FREQ信號(hào)的下降沿鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值，以備讀取，這樣就保證了計(jì)數(shù)周期為被測(cè)信號(hào)的一個(gè)完整周期，如圖8所示。

圖8 計(jì)周法波形圖

2.3 相序監(jiān)控

相序檢測(cè)同樣需要先將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，在可編程邏輯器件內(nèi)通過(guò)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。其轉(zhuǎn)換電路同頻率采集的轉(zhuǎn)換電路。

三相交流電源的相序按照A、B、C排布，A相超前B相120°，B相超前C相120°，則稱為正序或順序，反之則為逆序。

正序時(shí)，A相將超前B相，利用這一特點(diǎn)，即可通過(guò)可編程邏輯判斷三相相序的正確性。判斷的方法為在A的上升沿，B應(yīng)為低電平，否則，發(fā)生相序故障。正序時(shí)的波形如圖9所示，逆序時(shí)的波形如圖10所示。相序故障能檢測(cè)到的條件是比較門限的電壓值應(yīng)低于交叉點(diǎn)a的電壓值，如果比較門限高于交叉點(diǎn)，相序故障將無(wú)法檢測(cè)出，因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)論A、B相序正確還是故障，都滿足在A的上升沿，B為低電平。也可換為B相、C相或C相、A相進(jìn)行判斷。

圖9 正相序波形

圖10 逆相序波形

3 地面電源監(jiān)控的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 地面電源監(jiān)控軟件的功能

對(duì)地面電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在地面電源故障期間進(jìn)行等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)。若地面電源恢復(fù)正常，則繼續(xù)由地面電源供電；否則等延時(shí)或反延時(shí)后切斷地面電源。

3.2 地面電源故障后切除或恢復(fù)地面電源供電的處理

當(dāng)?shù)孛骐娫床徽r(shí)，將引發(fā)地面電源故障中斷，進(jìn)入地面電源故障處理，對(duì)地面電源進(jìn)行切除或恢復(fù)地面電源供電。地面電源故障后切除或恢復(fù)地面電源供電的處理方法為：

（1）對(duì)地面電源的相序、三相電壓、三相頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)（三相電壓、三相頻率）進(jìn)行數(shù)字濾波。

（2）當(dāng)?shù)孛骐娫聪嘈蚬收?，立即切斷地面電源，并向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包，切換到對(duì)地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)。

（3）當(dāng)?shù)孛骐娫催^(guò)壓時(shí)做反延時(shí)保護(hù)，若地面電源持續(xù)過(guò)壓，并達(dá)到反延時(shí)保護(hù)時(shí)間，立即切斷地面電源，并向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包，切換到對(duì)地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)。

（4）當(dāng)?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)欠壓、過(guò)頻或欠頻時(shí)做等延時(shí)保護(hù)，若地面電源持續(xù)欠壓、過(guò)頻或欠頻，并達(dá)到等延時(shí)保護(hù)時(shí)間，立即切斷地面電源，并向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包，切換到對(duì)地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)。

（5）當(dāng)?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)故障，在等延時(shí)或反延時(shí)保護(hù)期間，若地面電源恢復(fù)正常，則停止地面電源故障處理，切換到對(duì)地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)，繼續(xù)地面電源供電。

（6）當(dāng)?shù)孛骐娫垂收媳磺谐袚Q到對(duì)地面電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)后，應(yīng)向其上位機(jī)發(fā)送應(yīng)急通信包，報(bào)告地面電源故障原因，并設(shè)置地面電源不允許再次接入標(biāo)志。

4 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)地面電源在飛機(jī)的日常使用維護(hù)過(guò)程中起著不可或缺的作用。本文所述為對(duì)地面電源進(jìn)行監(jiān)控的方法，將符合飛機(jī)供電系統(tǒng)要求的地面電源接入機(jī)上電網(wǎng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控地面電源的品質(zhì)（即電壓、頻率和相序），當(dāng)?shù)孛骐娫窗l(fā)生故障時(shí)，按系統(tǒng)要求對(duì)其進(jìn)行切除處理。此方法已在飛機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐表明其各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且工作穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、方便實(shí)用，可有效提高地面電源維護(hù)效率，減輕地面維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，可以推廣應(yīng)用到飛機(jī)供電系統(tǒng)中。