基于PXI总线的飞机交直流电源综合试验系统研究
摘 要： 飞机电源系统结构复杂，被测的数据类型多、数据量大，检测难度大。利用计算机测控技术，构建了一套基于PXI总线和LabVIEW虚拟仪器技术的飞机交直流电源综合试验系统。经试用证明，该试验系统综合化程度高，通用性强，可以实现多通道数据同步采样、数据存储量大、动态和静态性能好、实时性强。
关键词： PXI； 综合试验系统； LabVIEW； 计算机测控技术
中图分类号： TN06⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）11⁃0121⁃03
Abstract： Because it is difficult to measure the parameters of airplane AC & DC power supply due to its complex structure and lots of data types， mass data quantity， by means of computer control technology， a comprehensive test system based on PXI bus and LabVIEW virtual instruments technology was designed for airplane AC & DC power supply. The probation result shows that the test system has the advantages of multi⁃function， strong universality， multi⁃channel synchronous sampling， mass data strong ability， high dynamic and static performances， and high real⁃time performance.
Keywords： PXI； comprehensive test system； LabVIEW； computer control technology
0 引 言
飞机电源系统通常由主电源、二次电源、应急电源、辅助电源及相关的控制、调节、保护设备和配电设备等构成，是现代飞机最重要的系统之一。随着飞机战术技术性能的提高，应用电能源的高科技机载设备越来越多，电源系统结构越来越复杂，对其性能指标的检测也越来越难。而飞机电源系统的性能优劣，又直接影响着飞行安全及飞机正常任务的完成。因此，构建一套完整的试验系统开展飞机交直流电源系统及其部附件的性能检测就显得极为重要[1]。
飞机电源系统结构复杂、容量大，某些大功率设备不仅需要检测开环特征参数，而且需要检测闭环特征参数，要检测的数据类型多、数据量大。本文在综合分析飞机电源系统及其设备性能的基础上，结合GJB181A⁃2003《飞机供电特性》等国军标，利用计算机综合测控技术，构建了一套基于PXI总线和LabVIEW虚拟仪器技术的飞机交直流电源综合试验系统[2⁃4]。经试用证明，该试验系统综合化程度高，通用性强，可以实现多通道数据同步采样、数据存储量大、动态和静态性能好、实时性强。
1 系统硬件结构与实现
本试验系统的测试对象是某型飞机的主电源系统及配电系统。根据具体定检任务及重要设备日常校修工作的需求，确定本试验系统主要测试对象有：两种类型的交流发电机及配套设备、某型直流起动发电机及配套设备、汇流条功率控制器、三相交流电源指示器、单相交流电源指示器等三类电源系统。
为提高综合试验系统的可维修性，系统硬件采用模块化设计，主要设备及部件均具有可更换性；有完整的内部功能检测接口，便于迅速查找故障原因。硬件系统主要由电源控制柜、程控电源机柜、变频器控制柜、高速变频拖动台、操控台、交直流负载箱等6种主要设备组成[4⁃6]。硬件框图如图1所示。
整个试验系统的供电全部由电源配电柜引出，以操控台作为整体的控制中心，整体的工作原理如下：整个试验系统的供电采用三相四线制，供电容量为120 kV·A，该电源经电源柜分配为两个部分，一部分三相380 V供电电压供给变频器柜，经变频器给拖动系统供电，另一部分采用变压器隔离后给整个试验系统、负载箱以及程控电源柜提供220 V单相交流电。操控台作为控制核心，通过PXI总线控制变频器，进而实现拖动台的控制；通过总线控制程控电源，实现整个试验系统电源的自动化管理；通过操控台内部的开关量控制，实现负载箱负载的自动化控制；同时，操控台也是被测设备的连接操作平台，提供除发电机之外所有电源系统部附件的连接接口。
1.1 操控台
操控台是整个系统的主要核心部件，负责所有试验资源的综合管理，外形示意图如图2所示。该操控台内部设有PXI控制器柜，用于放置系统的PXI控制器及其配套的接口板卡、UPS等计算机资源；操控台上方为控制及接口部分，安装有工业触控液晶显示器、设备连接插销、开关、按钮等。
控制器系统是操控台的主要设备。它是以PXI控制器为核心的计算机测控平台，主要由不间断电源（UPS）、冗余电源、PXI控制器、工业触控显示器、同步采集卡、多通道模拟量采集卡、开关量采集卡、开关量控制卡、多通道计时卡、1553B通信接口卡、RS 422A通信接口卡、RS 485通信接口卡、配套专用测试电缆、接线端子板、继电器组、接触器组、信号调理、电参数传感器等主要部分构成。其中，模拟量测量通道：8路差分并行输入、单通道500 KS/s；64路单端输入、3 MS/s；开关量测量通道：32路；开关量输出通道：224路；不间断电源以及冗余电源用于保证PXI控制器及显示器的可靠不间断供电；同步采集卡用于满足对三相交流电压电流同步测试的需求；多通道模拟量采集卡用于满足系统一般电参量的测试；开关量控制卡通过外部接线控制，实现被测设备、负载等的综合控制；开关量采集卡负责接受外部输入的离散量信号；计时器卡用于系统的测时需求；1553B通信卡负责与被测交流电源系统的控制器通信，模拟总线控制器（BC）、远程终端（RT）以及总线监视器（BM）；RS 485负责与程控电源的通信；RS 422A负责与变频器的通信。
1.2 大功率交流变频高速拖动台
大功率高速拖动台是试验系统的重要组成设备，拖动台的作用是模拟飞机发动机的转速，如某型交流发电机的额定转速为8 000 r/min。目前，绝大多数的电源试验台均采用变频异步电动机，但是其最高转速一般不超过3 000 r/min，要想实现高转速，必须加装增速齿轮箱，增加增速齿轮箱必然带来滑油冷却循环等一系列问题，进而导致拖动台体积、重量大，维护工作增加。本试验系统采用100 kW的高速异步电动机作为拖动电机，与变频器配合，实现了0～12 000 r/min的调速范围。
拖动电动机一端安装接口盘，接口盘可连接三型发电机的接口法兰盘，实现与被测电机的同轴连接。电动机内部安装有温度检测装置，预防电机的异常温升，配套转速测量装置实现转速回馈，实现转速闭环控制。
1.3 负载箱
负载箱的功能是模拟飞机用电设备，将飞机发电机发出的电能利用负载箱进行消耗，以验证发电机的工作特性。如某型起动发电机额定电流为直流400 A；某型单相交流发电机额定电流为100 A、功率因数为1～0.8（感性）。根据被试发电机的技术要求，设计了四个负载箱：
（1） 直流负载箱：直流28.5 V，电流0～400 A；
（2） 交流三相阻性负载箱：交流115 V，电流0～175 A（单相）；
（3） 交流三相感性负载箱：交流115 V，电流0～120 A（单相）；
（4） 交流三相容性负载箱：交流115 V，电流0～60 A（单相）。
负载箱内部设计有电阻/电容/电感负载、散热风机、温度检测及保护电路、负载输出控制电路、开关电源等。负载箱工作过程中，会产生大量热量，为保证散热需求，负载箱底部的散热风扇在负载工作中进行主动通风散热，防止负载箱过热故障。
1.4 电源控制柜
电源控制柜用于向整个试验系统供电，主要有进线配电盒以及配电柜两大部分。控制柜内部安装有相序保护电路、总电源控制装置、供电汇流条、单相安全隔离变压器、输出控制装置等低压配电装置，并在配电柜正面板上方设有安装面板，安装信号显示灯及手动开关，提供内部信号的指示以及实现紧急情况下的断电保护。
1.5 变频控制柜
变频控制柜用于高速拖动台的控制，变频控制柜的供电来自于电源控制柜，电源进入控制柜后分两路，一路经进线滤波器后供给变频器，变频器的输出经过输出电抗器供给高速电机，实现高速电机的变频供电；另一路通过输出控制电路分别给拖动电机散热风机以及被试发电机散热风机供电。变频器柜接收由拖动系统反馈回来的各类信号，如转速信号、风压信号灯，用以实现转速闭环控制及散热系统的联锁控制。
1.6 程控电源柜
程控电源柜内部安装有6台程控交直流电源，满足试验系统测试的电源需求。
2 系统软件组成及实现
本试验系统广泛采用了PXI总线控制，通过LabVIEW技术实现了对PXI控制器系统内部资源的控制及管理。PXI是美国NI公司发布的一种全新的开放性、模块化仪器总线规范，是PCI在仪器领域的扩展，适合于测试、控制与数据采集场合应用的规范。
2.1 软件组成
软件系统由主界面引导程序、某型交流发电机系统闭环测试程序、某型直流发电机系统闭环测试程序、三相交流电源系统部附件开环测试程序、单相交流电源系统部附件开环测试程序、低压直流电源系统部附件开环测试程序、电源参数指示器试验程序、试验台性能自检程序等4类12个功能模块组成[7⁃10]。测试软件总体框图如图3所示。
2.2 电源系统闭环试验软件
电源系统闭环试验主要完成交流主电源系统（含交流发电机、发电机保护控制器、电流互感器）、直流主电源系统（含起动发电机、碳片调压器、反流割断器）、单相交流主电源系统（含交流发电机、碳片调压器、交流电压精调装置）三类电源系统的闭环性能测试（含各型发电机的履历本测试项目）以及电源系统控制保护类附件的闭环性能指标（如各型调压器的履历本测试项目）。该试验系统需对试验台所含的拖动台、散热风机、负载箱、程控电源、采集卡、控制卡等多种资源进行管理。电源系统闭环试验软件流程框图以及试验界面示意图如图4和图5所示。
2.3 电源系统部附件试验软件
电源系统部附件试验主要完成除主电源系统外的检测、控制、保护等附件的开环性能试验（含履历本测试项目及日常性能检查内容）。该试验系统主要为静态性能指标的测量，具有测试方法差异大， 测试资源配备复杂等特点，需对交直流程控电源、负载箱、采集卡、控制卡等多种资源进行管理。某型过压保护器试验界面示意图如图6所示。
3 结 论
采用计算机综合测控技术和PXI总线控制，本交直流电源综合试验系统实现了3类飞机电源系统（包含13种电源设备）的测试及分析，测试参数多达30余种，同时试验系统具有数据记录、波形分析、常见故障测试分析等功能。计算机强大的数据分析、处理、管理能力，实现了测量数据的综合处理及有效管理，解决了传统试验系统测试功能少、数据处理简单等问题。
经试用证明，本试验系统有效解决了通过计算机测控技术实现大功率设备的性能检测，特别是对高转速异步电动机的调速控制，显示了PXI总线控制的优越性。
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