张 佳

（西安航空学院 电子工程学院，西安710077）

飞机发电机控制器是飞机电源系统的关键部件， 随着多电飞机甚至全电飞机的出现与发展，飞机发电机控制器所承担的作用愈发重要。飞机发电机控制器是控制和保护飞机电源系统的核心，对飞机供电系统的可靠稳定工作具有非常重要的作用。

飞机发电机控制器是飞机电源系统的重要组成部分，是实现电源正常供电的重要环节。其主要功能是在自动控制设备及手动操作的协调配合下，控制发电机的励磁回路导通， 进而能够正常发电。在发电机发出的电能质量能够满足要求的情况下，控制器控制发电机向负载设备供电；在飞机供电系统中某部分出现故障时， 控制器能够隔离故障部分，同时对电网进行重构，从而保证重要设备的不间断供电[1]。

在现代飞机上，发电机的调压、控制以及电源系统的保护装置常组合在一起，构成发电机控制器GCU（generator control unit），以实现对发电和供电系统的控制。鉴于飞机发电机控制器的关键作用，其装备前的地面测试尤为重要。在此，以某型飞机发电机控制器为对象（如图1所示），有针对性地设计其地面测试系统，并利用该测试系统对飞机发电机控制器进行测试试验。

图1 飞机发电机控制器Fig.1 Aircraft generator control unit

1 飞机发电机控制器工作原理

飞机发电机控制器是具备部分环节控制功能的智能设备，其在功能和结构上具有独立性，不受供电系统处理机的控制，仅向供电系统处理机输出对应的发电机通道的工作情况。发电机控制器的功能包括对发电机进行调压、发电通道的控制及保护。发电机控制器从内部结构来看是一种数字式设备[2]。其能够进行启动机内自测试BIT （built in test）、运行BIT 和维护BIT， 还能够对发电通道进行故障判断以及对通道状态信号进行传输。

总而言之，飞机发电机控制器主要有以下3 个功能：①对发电机/变换器通道进行监测并向供电系统处理机发送监测报告；②控制发电机工作在同步及并联状态；③监控差动保护回路从而保护馈电线故障不会影响到发电通道[3]。

在飞机电源系统的发电和供电环节中，控制对象主要有5 个：

1）发电机励磁控制继电器GCR（generator control relay）——其能够控制无刷交流发电机内交流励磁机励磁电路的接通或断开，以判断发电机是否进行发电。

2）发电机电路断路器GCB（generator circuit breaker）——控制发电机与负载汇流条的接通或断开，判断发电机电能输出与否。

3）汇流条联接断路器BTB（bus tie breaker）——控制各台发电机汇流条与联接汇流条（或同步汇流条）的接通或断开，也就是判断各套电源是否并联供电或发电机汇流条之间是否交互供电。

4）外电源接触器EPC（external power contractor）——控制外电源与机上联接汇流条的通断，即决定地面电源是否向机上供电。飞机在地面作业或启动发动机时，可由地面电源通过机上的地面电源插座向机上负载供电。

5）辅助电源断路器APB（auxiliary power breaker）——大型飞机上大多备有辅助动力装置，由其传动的发电机可以在地面或空中向机上负载供电[4]。

除以上控制对象外，在电源配电系统中还有大量的接触器、继电器需要进行通、断控制，以实现对不同负载的供电和出现故障时的电网重构。该型飞机发电机控制器为以微处理器为核心的控制器，其具有体积小、重量轻、可靠性高、消耗功率小、工作速度快等优点，已广泛应用于大中型飞机的电源系统上。飞机发电机实现了飞机电源系统的智能化控制，提高了电源系统的可靠性和可维护性。

2 建立测试系统的意义

飞机电源系统在工作时会发生各种不同的故障。比如系统构成模块的故障、供电线路的故障等。故障的出现形式也多种多样，如过/欠压、短/断路、过/欠频及电压不平衡、不稳定等。对出现的故障应尽快采取对应的措施进行保护，否则将出现供电异常，甚至导致火灾等严重情况[5]。

鉴于故障类型繁多，所以应依据每种故障对供电系统造成的危害程度采用不同的保护措施。比如：在某些情况下故障应断开BTB，使不同供电通道相互隔离；有的故障需要同时断开GCR 和GCB，使发电机灭磁并与电网隔离；而有些故障只需要断开发电机的输出，无须断开GCR。此外，不同故障对电源设备或负载造成的危害程度也不一样，为了既不造成误动作，又不会损坏设备，故障保护电路一般都要设置一定的延时。

在飞机上单台发电机供电系统中的故障保护项目主要包括：

过电压OV（over voltage）；

欠压UV（under voltage）；

馈线及发电机内部短路DP（differential protection）；

过载OL（over load）；

过电流OC（over current）；

过频OF（over frequency）；

欠频UF（under frequency）；

欠速US（under speed）；

永磁发电机PMG（permanent magnetic generator）短路；

旋转整流器RR（rotating rectifier）短路；

电压不稳定SP（stability protection）；

电压不平衡或开相OP（open phase）保护；等。

在多台发电机并联供电系统中，还设有过励磁OE（over exciting）、欠励磁UE（under exciting）等保护项目。

对于具体的某种机型来说，以上的保护项目不一定都需要，具体应根据飞机的用途及性能、产生故障的可能及危害、 供电质量要求等因素决定取舍。在此所针对的飞机发电机控制器测试设计的待测故障类型有过压、欠压、过频、欠频，以及该故障的故障保护点测试。

3 测试系统的设计

控制器测试系统的测试目标和过程是：将控制器与发电机脱开，利用测试系统的电源模拟发电机输出和发电机励磁电压输出，人为设置各种故障信号，施加于控制器的输入回路，实现飞机发电机控制器的过压、过流、欠频等保护功能检查，以考核控制器的各种保护功能是否符合技术规范的要求。

根据控制器测试的要求， 对测试系统进行设计。为了使测试系统安全、可靠、稳定运行，各功能模块应具有独立架构，互不影响，各组成部分设计应符合人机工程原理，操作方便、可靠，可维护性强，外观整洁美观，环境污染少。根据测试需要，依据不同的测试功能标准进行划分。该测试系统应具备的特点有：①模块化结构，集成度高，可扩展性好；②独立化设计，各功能模块功能独立，互不影响，便于测试及维护；③软件人机交互界面友好、美观，操作简便，使用方便；④数据可存储，支持在线处理和分析。

总体来看，测试系统可以分为硬件和软件两大部分。

3.1 测试系统硬件设计

测试系统硬件采用PXI 及PXI Express 总线作为板卡数据交换用总线，测试系统工控机选用美国国家仪器（NI）公司的PXIe-8840 控制器结合PXIe-1082 机箱。

PXIe-8840 控制器是一款高性能的兼容PXIExpress 和CampactPCI Express 系统的嵌入式控制器，其以高集成度封装在一个模块上集成了标准的I/O 特性，是一个3U 规格大小的模块化电脑。PXIe-8840 控制器具有一颗Intel® CoreTMi5 4400E 的双核2.7 GHz 处理器，一块250 GB 的硬盘驱动器。此外还具有基于PCI 总线的GPIB 控制器和Express-Card/34 扩展插槽。PXIe-8840 控制器的标准I/O 接口包括：2 个DisplayPort 视频端 口，1 个RS-232 串口，4 个高速USB 端口，2 个超速USB 端口，2 个以太网口，1 个复位按钮和1 个PXI 触发端口。

NI PXIe-1082 机箱是结合了高性能8 插槽的PXIe 背板， 具有高输出功率和模块化设计的特点，能够在广泛的领域应用。PXIe-1082 机箱具有很高的可维修性和很短的平均维修时间MTTR（mean time to repair）， 其完全兼容PXI-5 PXI Express 硬件标准，提供先进的计时和同步特性。

PXIe-1082 机箱每个PXIe 插槽的传输带宽高达2 GB/s，每个PXIe 通道能够提供38 W 的功率，内部10 MHz/100 MHz 的参考时钟具有低至±25×10-4%的频率精度。该机箱完全兼容PXI 和CompactPCI硬件特性。

对飞机发电机控制器进行测试时，需要利用测试系统的电源模拟发电机输出和发电机励磁电压输出，人为设置各种故障信号，施加于控制器的输入回路。为生成特定的故障信号，需要采用程控电源，通过工控机输出命令控制程控电源输出命令要求的故障信号。为实现工控机与程控电源之间的通信，采用RS-485 总线传输命令。

在程控电源端， 选用艾诺仪器公司的AN17 系列中频静变电源，AN17 系列中频静变电源以16 位MCU 为核心， 由电子电力元件构成功率输出模块。中频静变电源内部具有数字分频、锁相、波形瞬时值反馈、SPWM 脉宽调制、IGBT 输出等技术和功能，具有负载适应性强、效率高的特点。AN17 系列中频静变电源专门为航空和军用电子电气设备而设计的400 Hz 中频电源，可为飞机与机载设备、雷达、导航等军用电子设备供电，以及其它需要400 Hz 中频电源的场合。其原理如图2所示。

图2 程控电源原理Fig.2 Programmable power supply

在工控机端，选用PXIe-6592 高速串口卡，其最高传输速率达10 Gb/s，具有4 个串行通信通道，专为需要验证、连接和测试串行协议的应用场景而设计。它包括一个Xilinx Kintex7 FPGA，用于实现各种高速串行协议， 而且可通过LabVIEW FPGA 进行编程，以针对特定应用实现最大程度的自定义性和复用性。PXIe-6592 包含了多个FPGA 数千兆位收发器以及多达4 条TX 和RX 通道。

对于待测控制器而言，其在接收到程控电源输出的故障信号后，正常状态下控制器应在指标要求延时时间内输出故障信号。该故障信号是一个28 V的数字输出信号， 当控制器未检测到电源故障，其输出高电平；当控制器检测到电源故障，其输出低电平。为检测飞机发电机控制器输出的故障信号，选用NI PXI-6511 数字IO 卡采集故障数字信号。

PXI-6511 具有64 个输入通道， 最大隔离输入电压达DC±30 V，支持漏极/源极输入，是一款具有组隔离的PXI 数字I/O 模块设备。此外，PXI-6511 还支持8 通道组内光学隔离，高达DC 30 V 的组至总线和组间光学隔离， 能够保证工业24 V 逻辑阈值、变化检测，支持可编程输入滤波器，采用100 针母口.050D 型连接器。测试系统硬件结构如图3所示。

图3 测试系统结构Fig.3 Test system

3.2 测试系统软件设计

测试系统软件是在Windows 7 操作系统环境下采用NI 的LabVIEW 平台开发。为满足对飞机发电机控制器测试的需求， 并且符合用户使用习惯，测试系统软件设计时应掌握以下要点：

1）当选择测试方式时，开始进行相关的测试流程，引导用户根据测试提示进行手动操作；

2）当选择自动测试时，要求“控制器测试按钮”和负载开关全部切换至关闭位；

3）当单击保存时，相应的数据自动写入到数据记录模板中的对应位置，作为试验报告。

测试系统软件设计时采用基于事件的生产者/消费者设计模式，利用LabVIEW 的事件结构+多线程技术为框架实现用户要求的功能。软件界面如图4所示。

图4 测试系统软件界面Fig.4 Test system software interface

事件是指多活动发生的异步通知。时间可以来自于用户界面、外部I/O 或其他方式。用户界面时间包括鼠标点击（单击、双击）、键盘按键、窗口（关闭、缩小）等动作。LabVIEW 中相应这些事件最常用的结构就是“事件结构”。事件结构在程序不能够单独响应各种事件，必须与循环结构一同使用。在设计中，利用事件结构生成事件数据，依次插入事件消息队列。当点击“关闭”按钮时，生成关闭事件，由于该事件具有高优先级， 因此在生成关闭事件后，将其插入当前队列的最前端。事件生成循环程序框图如图5所示。

图5 事件生成循环程序框图Fig.5 Event generation loop block diagram

用户界面上的产生的事件插入事件消息队列后，在另一个线程的While 循环中对队列中的事件进行处理。循环开始后首先取出队列最前端的事件，利用条件结构判断其事件类型，根据事件的不同种类，分别对事件进行对应的处理。事件处理循环程序框图如图6所示。

图6 事件处理循环程序框图Fig.6 Event process loop block diagram

4 结语

利用基于NI PXI 硬件平台和LabVIEW 软件平台设计的飞机发电机控制器测试系统，结合中频静变程控电源，能够实现对飞机发电机控制器的测试。测试系统测试精度满足要求，能够将测试结果保存到文件中生成试验报告，满足用户需求。所提出的飞机发电机控制器测试系统设计方法和路径切实可行，对类似工程应用具有一定的参考价值。