基于LabVIEW与DSP的机载电源模拟测试系统的设计与研究*

党智乾

(西安航空职业技学院自动化工程学院　西安　710089)



基于LabVIEW与DSP的机载电源模拟测试系统的设计与研究*

党智乾

(西安航空职业技学院自动化工程学院西安710089)

论文介绍了基于LabVIEW与DSP的机载电源模拟测试系统的设计方案,通过控制直流电源的正常、低压、高压和断电输出,模拟GJB181A—2003中所规定的用电设备耐电压试验,完成用电设备的欠压、过压、瞬时断电试验。实验表明:该系统符合GJB181A要求,具有自动化成度高、测试稳定、使用方便、界面友好等优点。

LabVIEW; 机载电源; 稳态参数测试; 可靠性

Class NumberTP202

1　引言

飞机的电源系统[1]是整个飞机的“血液系统”,在飞机的整个工作过程中起着很重要的作用,电源系统故障可引起整个飞机系统的瘫痪,随着目前多电、全电飞机的发展,部分液压、气压作动的负载被电气负载所代替,使得飞机对电源系统[2]的依赖性更高,对电源的可靠性也提出了更高的要求,本文基于TI公司的硬件DSP和LabVIEW软件[3]设计了飞机电源模拟测试系统,该系统可以对相关航空电子设备进行全面可靠的智能化测试,保证了飞机上各种用电设备的可靠运行。

2　系统硬件组成

整个系统主要由PC机、串口模块、无线通讯模块、DSP、直流高压电路、控制转换电路、瞬态电压电路、采集电路组成。无线通讯模块主要由单片机、CC1101收发芯片、MAX232芯片、收发天线组成。该系统可实现半双工无线通讯,可与计算机COM口直接相连,无需进行繁琐的编程和设置便可完成从串口收发数据信息。系统结构框图如图1所示。

当系统运行时,上位机装载的LabVIEW开发的人机交互界面发出控制信号,通过RS232串口转换为无线模块可以识别的命令帧,然后经无线模块的发射端发出,无线模块的接收端收到控制信号后,经过RS232串口转换成DSP可识别的信号,DSP根据上位机的命令执行复杂控制,瞬时调整PWM波占空比,进而产生瞬时(ms级)变化的电压。同时DSP通过电压采集电路实时采集当前电压,并通过无线通讯模块将当前电压回传给上位机[4],运用LabVIEW交互界面及时显示和存储下位机电压输出端的电压情况。

下位机整个硬件电路[5]包括三相不控整流桥、快速熔断器、充电电阻和接触器,直流母线电容器、桥式IGBT模块、驱动模块、电压霍尔采集模块、主控模块以及电源输出LC滤波器等部分组成,下位机系统结构框图如图2所示。

图1　机载电源模拟测试系统结构框图

图2　下位机系统结构框图

3　系统软件设计

3.1上位机软件设计

机载电源模拟测试系统上位机软件包括人机交互模块、电压设定模块、测试项目选择模块、电压回传显示模块、数据记录模块等五大模块。整个系统的控制是从PC机上的LabVIEW界面发送控制信息,经无线通讯模块将控制信息传送给DSP,DSP执行相关操作并将实时的电压值经无线通讯模块回传到LabVIEW界面[6],同时上位机将接收到的电压数据实时存储到TDMS文件中。以机舱某设备要进行200ms断电试验为例,界面上方波形图为理想状态下波形,界面下方波形图为下位机回传的实际波形。上位机人机交互界面如图3所示。

3.2下位机软件设计

程序中主要包含如下几个中断程序:串口中断程序、PWM重载中断程序、T1中断程序、T2中断程序和A/D中断程序。系统主程序流程图如图4所示。

图3　上位机人机交互界面

在PWM重载中断程序中,主要是输出电压的精确控制调节程序,其控制周期为20KHz,在此中断中,程序还具有检测电源是否出现输出过流,母线电压过压[7]或者IGBT直通[8]的情况,若发现上述情况,立即关断PWM输出通道,使电源得到有效的保护。

图4　系统主程序流程图

定时器(T1,T2)中断程序中,主要是执行电源输出电压模式的控制程序,其中包括停止模式,正常启动模式与测试模式。通过分析得到电源需要输出的波形,从而得到输出电压值与时间的函数关系数据,并将数据存储在RAM中,实现模拟测试。

在串口中断程序中,主要是接收上位机传送下来的数据,然后存储到相应的数组中,同时给上位机发送数据信息,实现数据双向传输。A/D中断程序中,主要是实现对硬件电路的数据采集,通过电压霍尔采集模块获取当前电压值,并将数据存储到相应的数组中。

3.3通信协议设计

采用RS-232实现LabVIEW与DSP的信息传输,可设置串口通讯参数:波特率、数据位、校验位和停止位等。上下位机之间采用Modbus协议的ASCII模式进行通讯,协议格式如表1所示。使用ASCII模式,帧头代码消息以“:”开始,通知接收方开始接收传输来的消息命令;上位机ID和下位机ID是为方便以后系统多机扩展而预留设置的,现阶段规定上位机ID为0x00,下位机ID为0x01。控制字给出该条命令将执行的控制方式;数据长度给出该命令所含数据的字节个数;数据是在不同命令下的数据信息;和校验判断命令判断该条命令是否传送正确无误;帧尾提示接收方由发送方传输来的命令信息传送完毕。

3.4软件改进

按照GJB181A中规定,要求系统有宽的电压调节范围,调节时间能在1ms内完成。该系统利用变积分PI的控制[9]思路可以满足了国标要求。思路如下:当误差大的时候,此时积分系数值也比较大,即积分作用也越强烈。若误差较小的时候,则此时积分系数值也较小,即积分作用也变弱。整个程序中将此整个误差区域分为三段来处理,如图5所示。其中横轴为误差值相对应的百分比值,纵轴为积分系数的对应值。由图5可以看出,实际上积分系数为误差值的单调函数,即使得参数调节的更加迅速。

表1　串行通讯数协议格式

图5　PID分段调节

图6　控制桥式IGBT的两路PWM

图7　突然断电200ms试验存储波形

4　测试结果

以某设备进行200ms断电试验为例,如图7所示某设备正常电压28V,在4900ms处突然断电至5100ms,然后电源电压恢复正常,过了5100ms后该设备依然维持原状态继续稳定运行,实测该设备可以承受瞬间断电200ms的浪涌冲击[10],符合GJB181A要求。人机交互界面的数据记录中断电200ms试验存储波形如图7所示。试验过程中示波器捕获的断电200ms波形,如图8所示。

图8　测试中示波器捕获的断电200ms波形

5　结语

实际运行表明,该系统测试精度高,性能稳定,人机界面友好,操作简单,提升了飞机电气系统稳态参数的测量能力,提高了我国飞机电气系统自动检测试验能力,满足机载设备及地面保障设备耐电源特性试验,在各种飞机上用电设备的检测中具有推广使用价值。

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Design and Research of Test System for Aircraft Power System Based on LabVIEW and DSP

DANG Zhiqian

(Department of Automation Engineering, Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an710089)

This paper introduces the in airborne power supply based on DSP and LabVIEW simulation test system design scheme, By controlled the DC power supply is normal, low pressure and high pressure and power output, the simulation GJB181A-2003 in the specified for electrical equipment voltage withstanding test, complete with electrical equipment under voltage, over voltage, instantaneous power test. The experiment shows that the system has high degree of automation, self calibration, test stability, voltage waveform display, convenient use and verification.

LabVIEW, aircraft power system, steady state parameter test, realiability

2016年3月7日,

2016年4月24日

党智乾,男,硕士,讲师,研究方向:电力电子与电力传动、计算机测量与控制。

TP202DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.09.023