引言

航空地面電源是飛機地面保障的主要設備之一,是航空保障設備使用過程中的關注重點,飛機地面維護檢測、發(fā)動機啟動、科研試驗等均離不開地面電源提供的動力。地面電源一旦出現(xiàn)故障,輕則延誤保障工作,延長飛機出動準備時間,重則可能造成飛機及人員的損傷。通常對飛機地面電源的監(jiān)控都是通過一些儀器儀表對電源進行檢查,不能及時發(fā)現(xiàn)地面電源中出現(xiàn)的問題,效率較低:同時,儀器儀表本身的誤差及操作人員或多或少會產(chǎn)生的一些誤差,容易導致對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,該方法實時性強、準確性高,可有效縮短地面電源的檢測時間,提高維護人員的工作效率,提升飛機的可維護性及安全性。

1地面電源監(jiān)控概述

當?shù)孛骐娫聪蝻w機供電時,周期性采集地面電源的電壓、頻率、相序(正常范圍:電壓105~121V、頻率375~425Hz、相序ABC或BCA或CAB),將符合飛機要求的地面電源接入機上電網(wǎng),讓地面電源為機上負載供電:若地面電源發(fā)生故障,在地面電源故障期間進行等延時或反延時保護。若地面電源在等延時或反延時保護期間恢復正常,則繼續(xù)由地面電源供電:否則在等延時或反延時保護后切斷地面電源,并通過總線向其上位機報告地面電源故障原因。

2地面電源監(jiān)控的硬件實現(xiàn)

2.1電壓監(jiān)控

2.1.1電路原理

目前,對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)對交流模擬量的電壓進行采集。峰值采樣就是在指定時間內(nèi)檢測出信號的最大值。

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,其實現(xiàn)原理框圖如圖1所示。

2.1.2電路設計

如圖2所示,峰值采樣電路一般由一個運放構成的電壓跟隨器、二極管、電阻、電容組成。被測交流電源信號經(jīng)電阻分壓后,再經(jīng)過由運放、二極管構成的精密半波整流電路進行整流。這里是將二極管的單向?qū)щ娞匦院头糯笃鞯膬?yōu)良放大性能相結合,對輸入交變信號進行精密整流。

當輸入信號為正半周時二極管導通對電容充電,一直充電到峰值即最大值,當輸入電壓為負半周時二極管截止,電容不放電,保持電壓峰值。應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態(tài)響應中漸趨穩(wěn)定,形成直流信號,該直流信號的電壓即為被測交流電源信號的峰值。

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

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,應使保持電容正端的電壓小于0V。通過軟件和可編程邏輯對峰值泄放回路進行控制。信號VLOST為可編程邏輯器件輸出的TTL電平,V為穩(wěn)壓管。當VLOST為高電平時,運放輸出+15V,三極管導通,三極管的集電極端輸出為負值,峰值泄放功能被啟用,將輸入被測信號的峰值電壓泄放掉,以保證下次峰值實時采樣的正常進行:當VLOST為低電平時,運放輸出一15V,三極管截止,三極管的集電極端輸出空開,通過電阻上拉至+15V,峰值泄放功能被禁止。

進行BIT時,先讀取當前采集結果,再在采集電路的MBIT處對地接入一個電阻(圖2),這樣相當于給正常采集時對地的分壓電阻并聯(lián)了一個電阻,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果按照一定系數(shù)發(fā)生改變。在軟件中可通過判斷這兩次采集到的電壓的比值是否在門限范圍內(nèi)來判斷BIT結果是否正常。

2.2頻率監(jiān)控

2.2.1電路原理

交流信號經(jīng)分壓后,進入比較器,將交流輸入信號轉(zhuǎn)換為與之頻率一致的方波信號,輸入到可編程邏輯器件內(nèi),在可編程邏輯器件內(nèi)部通過邏輯實現(xiàn)頻率測量。

頻率采集原理圖如圖4所示。

2.2.2電路設計

頻率采集電路如圖5所示。

分壓后的信號Vin1輸入到比較器的反相端,與同相端參考電壓Vref進行比較。采用遲滯比較器電路(也叫施密特電路)進行采集處理,遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器,通過在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入正反饋網(wǎng)絡,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Vin1與Vref位置互換,就可組成同向輸入遲滯比較器。

由于正反饋作用,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,輸出電壓時而為高、時而為低,導致比較器輸出不穩(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V0L),可分別求出上門限電壓VT+和下門限電壓VT一為:

由比較器內(nèi)部結構可知,當比較器輸出低狀態(tài)時,等效于輸出端接地,即V0L≈0V,當比較器輸出高狀態(tài)時,等效于開路,輸出端通過電阻R3上拉至+5V,即V0H≈5V,則由式(2)和式(3)可求得VT+和VT一。比較器輸出與輸入信號頻率一致的方波信號,如圖7所示。

比較器輸出的方波信號輸入到可編程邏輯器件,在可編程邏輯器件內(nèi)通過邏輯實現(xiàn)頻率測量。頻率測量通常有兩種方法,即計數(shù)法和計周法。計數(shù)法是指在一定的時間間隔T內(nèi),對輸入的周期信號脈沖計數(shù),被測信號的頻率越高,則相對誤差越小,這種方法適用于高頻測量。計周法是指在被測信號一個完整周期內(nèi)對標準頻率信號的脈沖計數(shù),被測信號的頻率越低,則相對誤差越小,這種方法適用于低頻測量。這里采用計周法進行頻率測量。

在邏輯內(nèi),首先對輸入的頻率信號FRE0進行二分頻,變?yōu)镈ⅠVIRE0信號,在DⅠVFRE0信號的上升沿開始計數(shù),并在高電平內(nèi)保持計數(shù),在DⅠVFRE0信號的下降沿鎖存當前計數(shù)值,以備讀取,這樣就保證了計數(shù)周期為被測信號的一個完整周期,如圖8所示。

2.3相序監(jiān)控

相序檢測同樣需要先將交流信號轉(zhuǎn)換為方波信號,在可編程邏輯器件內(nèi)通過邏輯來實現(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8、A、B排布,8相超前A相l(xiāng)20О,A相超前B相l(xiāng)20О,則稱為正序或順序,反之則為逆序。

正序時,8相將超前A相,利用這一特點,即可通過可編程邏輯判斷三相相序的正確性。判斷的方法為在8的上升沿,A應為低電平,否則,發(fā)生相序故障。正序時的波形如圖9所示,逆序時的波形如圖10所示。相序故障能檢測到的條件是比較門限的電壓值應低于交叉點a的電壓值,如果比較門限高于交叉點,相序故障將無法檢測出,因為此時無論8、A相序正確還是故障,都滿足在8的上升沿,A為低電平。也可換為A相、B相或B相、8相進行判斷。

3地面電源監(jiān)控的軟件實現(xiàn)

3.1地面電源監(jiān)控軟件的功能

對地面電源進行實時監(jiān)控,在地面電源故障期間進行等延時或反延時保護。若地面電源恢復正常,則繼續(xù)由地面電源供電:否則等延時或反延時后切斷地面電源。

3.2地面電源故障后切除或恢復地面電源供電的處理

當?shù)孛骐娫床徽r,將引發(fā)地面電源故障中斷,進入地面電源故障處理,對地面電源進行切除或恢復地面電源供電。地面電源故障后切除或恢復地面電源供電的處理方法為:

(1)對地面電源的相序、三相電壓、三相頻率進行數(shù)據(jù)采樣,并對采樣數(shù)據(jù)(三相電壓、三相頻率)進行數(shù)字濾波。

(2)當?shù)孛骐娫聪嘈蚬收?立即切斷地面電源,并向其上位機發(fā)送應急通信包,切換到對地面電源的實時監(jiān)控工作狀態(tài)。

(3)當?shù)孛骐娫催^壓時做反延時保護,若地面電源持續(xù)過壓,并達到反延時保護時間,立即切斷地面電源,并向其上位機發(fā)送應急通信包,切換到對地面電源的實時監(jiān)控工作狀態(tài)。

(4)當?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)欠壓、過頻或欠頻時做等延時保護,若地面電源持續(xù)欠壓、過頻或欠頻,并達到等延時保護時間,立即切斷地面電源,并向其上位機發(fā)送應急通信包,切換到對地面電源的實時監(jiān)控工作狀態(tài)。

(5)當?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)故障,在等延時或反延時保護期間,若地面電源恢復正常,則停止地面電源故障處理,切換到對地面電源的實時監(jiān)控工作狀態(tài),繼續(xù)地面電源供電。

(6)當?shù)孛骐娫垂收媳磺谐?切換到對地面電源的實時監(jiān)控工作狀態(tài)后,應向其上位機發(fā)送應急通信包,報告地面電源故障原因,并設置地面電源不允許再次接入標志。

4結語

飛機地面電源在飛機的日常使用維護過程中起著不可或缺的作用。本文所述為對地面電源進行監(jiān)控的方法,將符合飛機供電系統(tǒng)要求的地面電源接入機上電網(wǎng),并實時監(jiān)控地面電源的品質(zhì)(即電壓、頻率和相序),當?shù)孛骐娫窗l(fā)生故障時,按系統(tǒng)要求對其進行切除處理。此方法已在飛機上進行了實際應用,實踐表明其各項功能和技術指標均達到了設計要求,且工作穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強、方便實用,可有效提高地面電源維護效率,減輕地面維護人員的負擔,可以推廣應用到飛機供電系統(tǒng)中。