某型弹上电源变换装置检测设备的设计

李咸静， 李仰军， 刘汉琦， 褚星明, 杨康华， 王 高

(1. 中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051； 2. 北京自动化控制设备研究所， 北京 100074)

0 引 言

弹上电源变换装置为全弹各用电部件提供电气能源， 它的性能和可靠性直接影响着全弹的性能和战斗任务的完成， 所以检测电源变换装置的稳定性尤为重要. 在国防军事生产中， 对于弹上电源变换装置这种批量生产且对精度、 稳定性要求极高的产品， 需要对其设计出配套的高精度高效率的测试设备[1]. 传统弹上电源变换装置检测设备， 其测量精度和可靠性均比较低， 且测试步骤繁琐， 维修困难， 测试周期长， 需要人工实时监测， 已经不能满足现代战争的测试需求[2].

本研究设计了某型弹上电源变换装置检测设备， 该设备具有以下特点： 基于PC/104总线的设计思想， 充分利用数据采集卡高频率数据采集功能和计算机的强大处理能力； 检测设备扩展性好， 有4个测试通道， 一次测试最多可以连接4套产品， 提高了测试产品的数量;检测设备一共使用了 12个 220 V接触器来进行4套产品的交直流切换(8个控制交流切换， 4个控制直流切换). 测试过程分工明确， 出现问题容易查找， 检修便利;在电路设计中和信号传输通道中均设计了冗余来满足测试的不同需求； 对模拟量、 数字量电路板、 电缆线以及连接口设计自检设备， 具有自检功能. 软件采用Labwindows/CVI模块化设计方式， 具备开放性、 易扩展的特点， 从而使得软件易于维护、 修改， 并且可应用于多种任务. 其中包含了GPIB, RS 232, VXI 总线、 数据采集和分析库， 同时可以详细记录测试、 试验的相关信息； 若出现异常， 设备具有报警功能， 且可将异常信息发送至工作人员移动设备， 减轻了工作人员的工作量.

1 电源变换装置工作原理

某型弹上电源变换装置自动检测设备采用中频电源进行供电. 中频发电机具有体积小、 供电性能高、 便于携带等优点， 可以在野外作业时提供良好的电源[3]. 然而， 中频发电机输出的是三相交流电， 不能被一般用电设备直接使用， 所以根据测试要求需要由电源变换装置将发电机输出的两组三相交流电中的一组变换为两相交流电压(U3与励磁电压)， 另一组变换为两路直流电压(U1和U2). 根据三相交流电压幅值和相位之间的关系， 将三相电压变换到两相静止坐标系(α-β坐标系)和两相旋转坐标系(d-q坐标系)中进行处理， 特别是在d-q坐标系中可以将三相交流电压变换为两路直流电压.

假设三相交流电压为

(1)

式中：U表示电压幅值；ω为电压角频率. 按照α-β坐标变换原理， 可将式(1)中的三相电压转换到两相静止坐标系中， 其形式为

(2)

式中：uα,uβ是以角频率ω旋转的交流电压， 将uα,uβ进一步变换到d-q坐标系.d-q坐标变换公式为

(3)

式中：θ为d轴与α轴之间的夹角；ud，uq为uα,uβ在d轴和q轴上的分量. 将ud,uq写成符号表达式为

经过上述原理， 将中频电源的一组三相交流电压变换为两路直流电压U1，U2. 在整个电源变换装置自动检测设备中， 需要调节负载器的大小， 使通过负载器的电流分别为10, 20, 30, 40， 50 A时采集U1，U2，U3， 励磁电压等参数， 对电源变换装置进行稳定性分析.

2 检测系统总体设计

弹上电源变换装置检测设备用于对某型弹上电源变换装置进行自动/手动检测， 测试设备能够对产品在模拟工作状态下进行检测， 可以对被测设备进行单步测试、 自动测试和定时测试[4-5]. 设备测试具有一拖四连接功能通道， 即一次最多可以连接4套产品进行测试.

测试设备结构采用机柜式设计， 其中包括产品测控单元、 切换单元、 负载单元、 中频电源、 上位机等[6]. 检测系统总体设计如图 1 所示.

图 1 检测系统总体设计 Fig.1 Overall design of detection system

产品切换单元主要配合测试设备实现功能测试， 可以一次连接四路产品顺序测试. 测试单元用于手动/自动测试控制， 集成了模拟数据采集、 开关量控制、 数字量输入/输出、 信号采集、 调理和计算等单元； 供电单元包括产品供电和中频交流电源[7].

3 系统硬件设计

检测设备工作原理如图 2 所示.

图 2 检测设备工作原理图 Fig.2 Schematic diagram of testing equipment

系统测试根据功能应用主要分为自动测试、 单步测试和手动测试. 在自动测试工作状态下， 当一套产品测试结束， 自动发出指令控制产品切换， 具体实现过程为工控机通过Labwindows/CVI软件给小继电器发送指令， 通过控制220 V接触器来实现测试线路的切换， 并控制DO和AD采集产品输出的数字/模拟信号， 分析数据按照判据指标给出测试项目结果. 在单步测试工作状态下， 当一套产品测试结束， 测试设备自动完成本项测试项目并记录测试结果； 在手动测试工作状态下， 人工操作测试软件虚拟手动界面发送指令， 观察输出结果数据.

3.1 模拟卡采集原理

在硬件电路中， 选用的A/D采集卡的量程设置为-10～10 V， 而所测电压超过了A/D采集卡的量程， 因此为了保护电路， 对所测电压按倍数进行了缩减测量， 即直流电压缩减4倍， 交流电压缩减6倍， 同时在软件编程中乘以缩减的倍数来保证所测电压的准确性.

3.2 单路测试原理

检测设备中的供电单元和电源切换单元都由AC 220 V进行供电， 其中供电单元为测试提供24，28.5, 32 V的模拟电压信号. 切换单元中 24 V 电源模块则是为测控单元以及切换单元中的继电器、 电路板以及风扇进行供电. 单路测试原理如图 3 所示， 中频电源模拟弹上系统输出两路三相交流信号， 分别为线路1与线路2.

图 3 单路检测原理Fig.3 Principle of single path detection

经过电源变换装置后， 分别输出至测试口1和测试口2. 测试口1为交流电压， 代表U3， 励磁电压以及检测信号等， 大小为±28.5 V， 通过调理电路板将相关信号通过PC/104存储在计算机中； 测试口2输出U1,U2共两组直流电压， 大小为28.5 V， 为电源切换箱中的2.8 Ω负载进行供电,保证负载有持续10, 20, 30, 40, 50 A的电流通过. 测试口1分别测量六路电压Uab,Ubc,Uca,Ua1b1,Ub1c1,Uc1a1, 然后经过单端输入的模拟量采集卡进行数据采集； 测试口2将测试信号传输到负载器分别测量U1,U2两路电压， 同样经过单端输入的模拟量采集卡进行数据采集， 用计算机读回. 负载器选用2.8 Ω/400 W规格的电阻. 由于负载器由多个电阻串并联组成， 且有较大电流通过， 因此选择合适的散热器尤为重要.

3.3 切换控制原理

如图 4 所示， 以线路1为例来介绍电源变换装置自动检测设备的控制原理.

图 4 负载切换控制原理Fig.4 Load switching control principle

中频电源输出三相交流电压后， 为了防止电压过载， 先经过短路保护器， 当电压在量程内时， 短路保护器为通路， 将其传送到电源变换装置中. 计算机通过控制DO口来控制小型12 V继电器吸合， 从而控制220 V接触器来进行四套产品之间的电路切换并进行测量. 电源变换装置将输入的中频交流电压转换为直流电压28.5 V， 为2.8 Ω电阻供电， 负载器两端的电压即为要求测得的电压U1.

线路2与线路1的工作方式相同， 均为检测电源变换装置的整体工作性能. 电源变换装置检测设备以工控机为操作平台， 数据采集部分由PC/104总线、 模拟数字量采集卡、 光耦调理电路组成； 电路切换部分由以短路保护器、 12 V继电器、 220 V接触器、 1 500 W负载、 接口电路组成.

4 系统软件设计及测试结果

4.1 软件概述

系统测试软件具有对电源变换装置进行连续自动测试、 单项自动测试、 手动测试辅助功能及测试数据记录与分析等功能. 为使软件界面更加合理、 简洁、 方便， 将采用Labwindows/CVI来进行软件的开发[8]. Labwindows/CVI在C语言的基础上综合了标准化软件开发平台和图形化软件开发平台的优点， 其目的是使用户易于开发和调试虚拟仪器系统， 为熟悉C语言的开发人员提供了一个功能强大的软件开发环境[9].

4.2 软件模块

本系统软件采用模块化设计方式， 具备开放性好、 易扩展的特点. 模块化的软件具有可替换单元的功能， 增减和修改软件模块不会影响相邻层次. 模块化软件的设计具有潜在增长性的特点， 随着技术的进步， 只要层与层的接口关系不变， 就可以方便地对层中的单元进行替换和升级， 从而使得软件易于维护、 修改， 并且可应用于多种任务. 本系统软件基本模块如图 5 所示.

图 5 软件基本模块Fig.5 Basic module of software

4.3 软件设计流程

测试单元软件主要包括自动测试模块、 手动测试模块、 定时(循环)测试模块、 文件操作模块等. 软件设计流程如图 6 所示.

测试数据处理包含测试过程中数据的采集和判读、 数据存储和数据导出. 设备测试过程中需要采集电源变换装置返回的电压信号和波形信号， 采集的数据在判读前通过进行数据平滑和软件过滤技术处理来消除信号中线路扰动和突变噪声[10]. 根据预先设定好的判读条件， 对采集的电压信号和波形信号进行判读， 当检测到异常情况时， 发出报警信号， 如遇严重错误直接切断供电.

图 6 测试单元软件工作流程Fig.6 Software flow of testing unit

4.4 测试结果

电源变换装置自动检测设备主要是检测其输出电压的稳定性[11]. 测试设备的技术指标要求： 直流输出电压、 励磁电压应能保持在(28.5±3) V， 交流输入电压在20～25 V内连续可调， 两组三相输出线电压偏差不大于0.2 V， 实测电流应保持在负载电流±1 A.

整个测试过程中， 只有电阻发生变化，U1,U2输出电压保持不变， 输出电流依次切换为10, 20, 30, 40, 50 A， 并根据测试数据来分析测试的精准度， 如表 1 所示， 结果显示误差较小， 满足设计要求.

表 1 模拟量测试结果

从表 1 可得，U1,U2,U3， 励磁在不同负载电流情况下的输出期望(方差)分别为28.24(±0.06), 28.32 (±0.04), 28 (±0.04), 27.36(±0.13)V， 其输出值符合理论设计要求值(28.5±3) V， 且波动范围较小. 在不同输出负载电流条件下，UAB,UBC,UCA与UA1B1,UB1C1,UC1A1之间的最大偏差不大于0.2 V， 且实际测量值在20～25 V之间. 实测电流I1,I2随着负载电流的变化而变化， 而且波动值保持在-1～1 A间， 可以满足测试需求.

基于以上分析测试结果表明， 直流输出电压、 励磁电压应能保持在(28.5±3) V， 交流输入电压在20～25 V内连续可调， 两组三相输出线电压偏差不大于0.2 V， 实测电流保持在负载电流±1 A， 符合技术指标要求.

自动检测设备采集到的交流信号采用绘制波形的方式进行显示. 图 7 为自动检测设备对信号发生装置输出的标准正弦信号的数据采集和波形显示.

图 7 数据采集结果Fig.7 Data acquisition result

5 结 论

传统的弹上电源变换装置测试设备， 在测量精度与可靠性方面效率较低， 且测试操作复杂、 时间长， 无法满足现代战争高效、 时间短及成本低等要求. 本文介绍了电源变换装置自动测试设备， 通过LabWindows/CVI上位机软件改变负载大小， 调整装置电流输出来检测电源变换装置负载能力和物理可靠性. 设备具有对电源变换装置接口芯线的导通检测、 功能检测和自检功能， 能实时将采集的电压信号和波形信号分别以数字和波形形式显示， 并给出判读结果. 实验结果达到了预期的效果， 在实际应用中具有广泛的应用前景.

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