张丽君 上海交通大学

基于虚拟仪器的航空电源测试系统设计

张丽君 上海交通大学

本文在虚拟仪器技术、计算机测控技术以及变频调速技术的基础上，实现了航空电源综合性能的测试，介绍了系统的软硬件设计、交流发电机输出电压的测量及其异常识别方法。

虚拟仪器 航空电源 性能测试

电源系统是飞机等航空器的重要组成部分，对其它部件的正常运行有着决定性的影响。因此，对其性能测试显得尤为重要。但是航空电源系统的组成部件较多，传统的测试方式是人工手动进行，先分别对各个部件进行检测，读取数据后再人为判断其性能。这种测试方式存在较大的局限，如动态瞬时出现的故障或部件性能变差通常难以发现和定位；大量数据难于记录，不能用于进一步的分析处理；其准确性受到人为因素的影响较大等等。但是，随着计算机控制技术、自动检测技术及虚拟仪器技术的发展，这一现状得到了一定的缓解。虚拟仪器是计算机控制技术和仪器测量技术相结合的产物。其利用利用软件对各种数据进行分析、处理，用软件来代替硬件，在传统的测试技术上做出了重大突破，具有极为强大的功能。

1 测试系统的硬件设计

该测试系统由传感器模块、隔离电路及信号调理模块、开关量电平转换及隔离模块、PCI6071E多功能卡及DIO卡、工控机以及变频调速器、高速变频拖动电机、发电机、交直流负载箱等组成，其硬件原理如图1所示。

由于航空电源的测试要求较高，因而选择工控机作为检测系统的计算机。虚拟仪器的开发平台则选择美国NI公司的LabWin-dows/CVI，在此平台上完成航空电源各个部件的性能测试，并做出判定。

该航空电源测试系统的核心是工控机，工控机通过PCI6071E多功能卡及DIO卡或许电源工作过程中的各种信号，并通过变频调速器来对发电机以及航空电源运行过程中的各种操作进行控制。最后，对检测过程中获取的各种数据进行处理与分析，并对测试结果进行判定。

传感器模块包括电压传感器、电流传感器、转速传感器等模拟量传感器和脉冲量传感器。由传感器将交、直流模拟信号转换为4～20mA信号或电压信号或随动电信号，经隔离电路及信号调理模块进行整形、放大、滤波等调理后输入PCI6071E多功能数据采集卡，由工控机对这些电信号进行采集并进行数据处理与分析。

由于航空电源的交、直流发电机转速高、速度范围宽，一般的电机难以适应被测发电机。因此，在检测过程中，采用高速大功率宽调频范围三相异步电动机与被测试的发电机直接相连，减少了中间增速器的使用，简化了测试结构，降低了成本的同时还提高了运行的可靠性。

2 测试系统的软件设计

航空电源测试系统的软件部分包含测控软件和数据库管理软件两个部分。该软件在LabWin-dows/CVI平台及数据库管理系统Ac-cess2000上进行开发。通过一定的设计，可完成测试方便、功能齐全、外观美观的的操作界面设计。

在软件编程上，首先对整个测试系统进行分解，将其功能和程序均模块化，分别对每个模块进行设计，并进行编程。为了方便日后对测试系统进行维护与功能扩展，在编程时应用参数/代码分离技术。另外，将虚拟仪器技术应用到系统的设计当中，可大大减少仪表的数量，简化测试系统，降低成本的同时提高了系统的可靠性。测试系统软件如图2所示。

该测试系统的软件主要由三个部分构成：交流电源测试模块、直流电源测试模块和数据查询模块。交流电源测试模块负责对交流电源系统的开、闭环性能测试以及对各个部件的性能进行测试，并对测试数据进行分析处理；直流电源测试模块功能相似；数据查询模块则是对测试过程中的各种数据进行记录以及结果分析，便于使用者随时进行查询，并根据测试结果进行相应的处理。

3 发电机输出电压的测量及其异常识别

该综合测试系统能够对航空电源中的多个部件进行性能参数测试，并对测试数据进行分析，对测试结果进行判定。下面以交流发电机的输出电压为例对其监测原理以及异常识别方法进行介绍。

3.1 发电机输出电压的检测

式中：T为信号的周期，uj、ij为电压、电流的采样值，τ为采样间隔时间。采用过零检测信号的过零点，计算信号的周期，并进行采样同步处理。

3.2 电压信号的异常识别

工控机通过PCI6071E多功能数据采集卡来采集交流发电机发出的电压信号，并利用系统软件去除电压中的滤波、噪声、直流分量等，然后对其进行归一化预处理。其欧式距离可用下式来表示：

作为距离函数进行匹配计算(式中：xi，yi∈[0.0，1.1]n是经加窗处理后得到的n维向量)。然后，采用加窗处理的方法，生成本体集合S；由候选检测子生成器随机生成的检测子向量，利用欧氏距离与本体集合S中的向量进行匹配计算，如果匹配，则该向量被取消，如果不匹配，则进入检测子集合R。

用所生成的检测子集合对待检测信号集合M进行异常检测，如图3所示。待检测信号集合M经过预处理及加窗处理后，与检测子进行匹配计算，如果匹配，说明发电机输出频率出现了异常，飞机交流发电机存在故障隐患。如果不匹配，则信号正常，继续对待检测信号集合M进行异常检测。

4 结论

本文采用虚拟仪器技术、计算机测控技术及变频调速技术实现了对飞机交、直流电源系统的离位闭环性能的自动测试及其各部件性能的自动测试与校验。采用虚拟仪器技术省却了大量的测试仪表，增强了系统的灵活性；以变频调速技术配合高速变频异步电动机直接拖动负载，简化了综合测试系统结构，提高了系统的可靠性。采用LabWindows/CVI作为系统软件的开发平台，增强了系统软件的可维护性及可扩展性，具有较好的实用性。

[1]项剑锋,孟禹彤,曹雷.基于虚拟仪器的航空电源测试系统[J].黑龙江科技信息.2014(34):90.

[2]陈超,黄建,梁旭.基于虚拟仪器技术的直升机电源试验系统设计[J].国外电子测量技术.2016(1):89～93.