吴颜飞　毕锋

摘要：随着科学技术的快速发展，各种机械设备对于发电机控制器的可靠性有了更高的要求。通过对产品的应力损伤分析、故障分析和技术条件分解等基于故障预测技术的方法，同时依靠物理仿真分析，使发电机控制器的可靠性，能够在发电机控制器的研发论证阶段就与产品的性能设计相结合，实现可靠性与性能设计的有效相统一。

关键词：数字化平台；发电机控制器；可靠性；优化设计；故障预测技术 文献标识码：A

中图分类号：TN97 文章编号：1009-2374（2016）12-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.010

在飞机电源的众多组成部分当中，发电机控制器显得尤为重要，是飞机电源系统的控制中心。发电机控制器能够对电流、电压、频率进行监测，以此来达到保护和控制电源系统的目的，并且能够精准监控电源系统的工作状态。本文将针对飞机电源系统的客观需求，基于数字化研发平台，提出发电机控制器可靠性优化设计的实施方案，并为工程的进一步提供基本的结构框架。

1 发电机控制器功能

发电机控制器主要有调压、控制和保护三大主要功能。随着时代发展，发电机控制器的功能也逐渐增多并完善，如故障检测与隔离、数据通讯等功能。下面笔者将对各项功能进行逐一介绍：

1.1 电压调节功能

调节系统输出电压是发电机控制器的一个重要功能，主要由电压调节器来完成工作。电压调节器由检测、比较、放大和执行环节组成，有时还要补偿和校正环节。其主要功能有：第一，调节交流发电机的励磁电流，达到稳定电压的目的；第二，避免负载短路时发生事故；第三，限制发电机输出电流；第四，限制最高电压，使其保持在电压峰值以下，避免设备损坏；第五，当三相电压检测线路故障时，限制励磁电流，以免损坏设备。

1.2 控制功能

控制功能也是保证发电机控制器正常运行的重要功能，控制功能主要是控制相应的接触器、继电器，使其稳定运行，保证发电机和负载的通断以及转换得以完成。控制功能主要有发电机励磁控制、接触器控制、转换控制三个环节：第一，发电机励磁控制，励磁控制是保证发电机正常工作的必要条件，此外发电机控制器还要完成灭磁的工作；第二，接触器控制功能，主要是实现GCB（发电机输出接收器）、BTB（汇流条连接接触器）、GCR（励磁控制继电器）的通/断控制；第三，转换控制，转换控制又包括电源接入控制和双通道转换控制。电源接入控制要遵循三个基本原则，即地面电源优先原则、机上电源优先原则、随机优先原则，即谁先投入，谁先工作。双通道转换控制，如果飞机不并联交流电系统正常工作，每台交流发电机将会分别供电，如果系统出现故障，发电机和汇流条件将会进行转换。

1.3 保护功能

对电源系统、发电机和用电系统实现有效的保护和自我检测，也是发电机控制器的一个重要功能。保护功能会针对不同的故障和异常情况来选择不同阈值以及延迟时间，并根据故障等级与控制盒共同实现隔离故障。通过保护功能还能将故障信息保存在NVM（非丢失性存储器）中，便于找出故障进行维修。

1.4 故障隔离功能

电源系统出现故障十分常见，异常的输出将会逐层传播，直至达到最高级，以致改变整个系统的输出状态。所以发电机控制器不仅需要检测故障，而且要在故障发生后，能及时发现，并将故障进行隔离，才能保证电源系统安全运行。

1.5 通讯功能

在日常地面维护和飞行当中，发电机控制器将会通过通讯接口与非航空电子监控处理机来完成通讯工作，从而达成信息交换—接收NAMP（非航空電子监控处理机，Non-Aerial Monitoring Processor）的命令，完成相应要求。通过这一系列动作，通讯功能将会把电源系统的状态以及故障信息传达给NAMP。

2 基于故障预测技术的可靠性仿真分析流程

2.1 某型号发电机控制器电子单元的设计改进案例

某型号发电机组成及其结构。该发电机控制器主要由一个专用安装架和一个外场可更换单元构成，各功能电子模块主要包括调压模块（PWM）、电源模块（PS）、模拟量输入采集模块（AIN）、离散量输入采集/输出控制模块（DIO）、处理器模块（DSP）、滤板模块（RFB）和母板（MB）。如图1所示：

母板与机箱之间采用螺钉进行连接，与电子模块则用插槽连接器连接，并将各个模块用锁紧螺栓固定；在机箱的结构上采用封闭模式，以自然通风进行冷却。在机箱与安装架之间，前段使用锁紧组件，后端使用定位椎销，用以提高产品安装的可靠性。

2.2 产品可靠性仿真分析及可靠性设计优化

2.2.1 产品的载荷分解和应力分析。首先要对发电机控制器进行热分析，主要是针对产品内部环境和电子模块及电子模块自身功耗。通过FLOTHERM5.1进行热分析，发现散热不好的区域，在以后的开发设计中，要更多地考虑该区域的散热问题，并且不要把易热器件装置在该区域，或者通过研发，设计出更先进的散热技术，保证发电机控制器稳定运行。在发电机控制器的众多器件当中，通过对器件的热力感应，可以使设计人员根据器件的过热应力，判断出众多器件、模块的状态。如果存在温度高于175℃或在过热应力大于1的情况下，那么该器件就会暂时停止工作，保证发电机控制器运行稳定。通过掌握发电机控制器的温度分布情况，使设计人员对传热情况有更好的了解，为以后的开发设计奠定基础；其次是要对机械强度进行分析，主要分为整机震动分析和零件疲劳分析。在整机震动分析时，要采用三个方向进行分析，即X向、Y向、Z向，其结果是Y向的应力值最大，为81.2MPa（见表1）：

在零件疲劳分析时，主要通过动力学的应用来判断在震动过程中每个零件所受到的应力大小；并运用MSCFATIGUE软件对零件疲劳进行分析，将发电机控制器各个零件的预测寿命进行量化分析，便于维修人员及时发现，对零件进行更新，避免故障发生，保证发电机控制器稳定运行。

2.2.2 产品可靠性设计及其优化。首先要对AIN模块的热设计进行改进，对AIN模块上的器件做出有效调整，保证其有良好的散热状态。在设备上安装导热胶、冷板等装置，将热量传导至发电机侧箱，然后以自然散热的方式将热量传导至发电机之外；其次要在发电机控制器的结构可靠性上进行优化。如在发电机控制器的制造材料，各部件的焊接效果等方面进行优化，提高发电机控制器的整体刚度，通过一系列结构优化措施，可以有效防止因外部震动对发电机控制器造成的损害。在锁钩的改进上：首先，在锁钩弯曲处可以将其设计成圆角，避免受力过于集中；其次，在锁钩的制造材料上，则采用先进的合金，使锁钩具有较强的机械性能；最后，对锁钩进行热处理，提升其性能。在底座销钉的优化设计上，同样要采用先进的合金结构钢进行热处理，以提高其的综合使用性能。表2为运用MSCFATIGUE软件对改进前和改进后的锁钩寿命分析（单位：h）：

3 软件开发与设计

数字化平台的发电机控制器所要实现的各项功能、隔离故障等其他功能都要通过软件设计来实现，所以说，软件的设计与开发是发电机控制器设计的关键。通过相应软件开发平台，可以对各种类型的飞机电源系统进行参数配置，系统也可以更便利地升级与维护。

3.1 软件设计的总体结构

数字化平台的发电机控制器有着相当的优越性，而其优越性又要通过软件设计来实现。在软件的开发与设计当中，要采用模块化的设计方法，根据发电机控制器所要完成的工作任务，将发电机控制软件划分为主程序和中断服务程序。主程序与中断服务程序各有分工，从而提高电源系统运行的可靠性。

3.2 系统初始化模塊

系统初始化在系统上电进行复位时，CPU就会执行上电初始化和系统初始化模块，主要功能检测EPROM和保护程序所使用RAM是否完好，对发电机控制器进行整体

优化。

3.3 系统软件的可靠性设计

电源系统的抗干扰能力不能仅依靠硬件系统，软件的设计与开发同样重要。而且发电机控制器的工作环境十分复杂，特别容易受到干扰，因此提升系统软件的可靠性十分重要。为了保证电源系统的稳定性，可以采取以下措施：首先，对硬件部分和易损坏系统进行实时监控，在检修时有可靠依据；其次，提升软件抗干扰能力，保证程序区不会受到干扰和侵害；最后，保证RAM中的重要数据安全，并能及时备份，在数据丢失的情况下，能够得到及时恢复。

4 结语

发电机控制器是飞机发电机的重要组成部分，其可靠性将会影响到发电机的正常工作。因此，我们有必要基于数字化平台，通过热分析、机械强度和疲劳分析、寿命分析等多个方面对发电机控制器进行优化设计，提升其可靠性。

参考文献

[1] 吴小华，陈巧妹，张惠蓉，等.基于双DSP与FPGA的飞机发电机控制器的设计[J].计算机测量与控制，2009，17（6）.

[2] 孟武胜，惠楠，李丽梅，等.基于DSP的飞机发电机控制器测试台的设计[J].机电一体化，2014，20（2）.

[3] 袁晓安，曹俊侠.浅谈嵌入式发电机控制器的软件可靠性和安全性[J].价值工程，2013，32（4）.

[4] 孟武胜，冯动动，张新伟，等.基于TMS320F2812的新型发电机控制器设计[J].微处理机，2012，33（4）.

[5] 江星华，李玉忍.基于DSP的飞机发电机控制器设计

[J].测控技术，2009，28（3）.

[6] 郭凤琴，刘玉儒.基于DSP的航空发电机检测电路的设计[J].海军航空工程学院学报，2010，25（1）.

[7] 孟武胜，赵晨光.某型飞机发电机控制器智能测试台的研制[J].计算机测量与控制，2009，17（8）.

[8] 胡乐，严东超，张李永伟，等.飞机发电机控制器电磁兼容性改进研究[J].微电机，2011，44（12）.

（责任编辑：黄银芳）