一种对飞机地面电源监控的方法设计与实现

艾 莉 王 梅 刘卫华 王建生

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

0 引言

航空地面电源是飞机地面保障的主要设备之一[1-2]，是航空保障设备使用过程中的关注重点[3]，飞机地面维护检测、发动机启动、科研试验等均离不开地面电源提供的动力。地面电源一旦出现故障，轻则延误保障工作，延长飞机出动准备时间，重则可能造成飞机及人员的损伤[4]。通常对飞机地面电源的监控都是通过一些仪器仪表对电源进行检查，不能及时发现地面电源中出现的问题，效率较低；同时，仪器仪表本身的误差及操作人员或多或少会产生的一些误差，容易导致对地面电源的判断出现较大的偏差。因此，本文提出一种数字化的地面电源监控方法，该方法实时性强、准确性高，可有效缩短地面电源的检测时间，提高维护人员的工作效率[5]，提升飞机的可维护性及安全性。

1 地面电源监控概述

当地面电源向飞机供电时[6]，周期性采集地面电源的电压、频率、相序（正常范围：电压105～121 V、频率375～425 Hz、相序ABC或BCA或CAB），将符合飞机要求的地面电源接入机上电网，让地面电源为机上负载供电；若地面电源发生故障，在地面电源故障期间进行等延时或反延时保护。若地面电源在等延时或反延时保护期间恢复正常，则继续由地面电源供电；否则在等延时或反延时保护后切断地面电源，并通过总线向其上位机报告地面电源故障原因。

2 地面电源监控的硬件实现

2.1 电压监控

2.1.1 电路原理

目前，对交流电源的采集主要有峰值采样和有效值采样两种方式，此处采用峰值采样（也叫峰值检测）对交流模拟量的电压进行采集。峰值采样就是在指定时间内检测出信号的最大值。

峰值采样电路主要由降压电路、精密半波整流电路、峰值保持电路、峰值泄放电路、多路选择电路、跟随器、AD转换电路等组成，其实现原理框图如图1所示。

图1 峰值采样电路原理

2.1.2 电路设计

如图2所示，峰值采样电路一般由一个运放构成的电压跟随器、二极管、电阻、电容组成。被测交流电源信号经电阻分压后，再经过由运放、二极管构成的精密半波整流电路进行整流。这里是将二极管的单向导电特性和放大器的优良放大性能相结合，对输入交变信号进行精密整流。

图2 峰值采样电路

当输入信号为正半周时二极管导通对电容充电，一直充电到峰值即最大值，当输入电压为负半周时二极管截止，电容不放电，保持电压峰值。应使用介电吸收尽量小的电容，不得使用电解电容。电容的正端电压在动态响应中渐趋稳定，形成直流信号，该直流信号的电压即为被测交流电源信号的峰值。

峰值保持时间由RC时间常数确定，一旦电容充电到峰值，则保持该峰值，为避免负载电容上由于积累电荷，从而影响下一相的峰值采样结果，需要设置峰值泄放电路。峰值泄放电路如图3所示。

图3 峰值泄放电路

峰值泄放电路用于将保持电容上积累的电荷泄放掉。为了能将保持电容上积累的电荷泄放干净，在泄放时，应使保持电容正端的电压小于0 V。通过软件和可编程逻辑对峰值泄放回路进行控制。信号VLOST为可编程逻辑器件输出的TTL电平，V为稳压管。当VLOST为高电平时，运放输出+15 V，三极管导通，三极管的集电极端输出为负值，峰值泄放功能被启用，将输入被测信号的峰值电压泄放掉，以保证下次峰值实时采样的正常进行；当VLOST为低电平时，运放输出-15 V，三极管截止，三极管的集电极端输出空开，通过电阻上拉至+15 V，峰值泄放功能被禁止。

进行BIT时，先读取当前采集结果，再在采集电路的MBIT处对地接入一个电阻（图2），这样相当于给正常采集时对地的分压电阻并联了一个电阻，即分压电阻的阻值发生了改变，从而使峰值采样电路采集的结果按照一定系数发生改变。在软件中可通过判断这两次采集到的电压的比值是否在门限范围内来判断BIT结果是否正常。

2.2 频率监控

2.2.1 电路原理

交流信号经分压后，进入比较器，将交流输入信号转换为与之频率一致的方波信号，输入到可编程逻辑器件内，在可编程逻辑器件内部通过逻辑实现频率测量。

频率采集原理图如图4所示。

图4 频率采集原理

2.2.2 电路设计

频率采集电路如图5所示。

图5 频率采集电路

分压后的信号Vin_1输入到比较器的反相端，与同相端参考电压Vref进行比较。采用迟滞比较器电路（也叫施密特电路）进行采集处理，迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器，通过在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器，其传输特性如图6所示。如将Vin_1与Vref位置互换，就可组成同向输入迟滞比较器。

图6 反相输入迟滞比较器的传输特性

由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压Vo的变化而变化的。这样可防止输入电压在Vref附近出现干扰，输出电压时而为高、时而为低，导致比较器输出不稳定。它的灵敏度虽然低一些，但抗干扰能力却得到了很大提高。

利用叠加原理有：

根据输出电压Vo的不同值（VOH或VOL），可分别求出上门限电压VT+和下门限电压VT-为：

由比较器内部结构可知，当比较器输出低状态时，等效于输出端接地，即VOL≈0 V，当比较器输出高状态时，等效于开路，输出端通过电阻R3上拉至+5 V，即VOH≈5 V，则由式（2）和式（3）可求得VT+和VT-。比较器输出与输入信号频率一致的方波信号，如图7所示。

图7 波形变换图

比较器输出的方波信号输入到可编程逻辑器件，在可编程逻辑器件内通过逻辑实现频率测量。频率测量通常有两种方法，即计数法和计周法。计数法是指在一定的时间间隔T内，对输入的周期信号脉冲计数，被测信号的频率越高，则相对误差越小，这种方法适用于高频测量。计周法是指在被测信号一个完整周期内对标准频率信号的脉冲计数，被测信号的频率越低，则相对误差越小，这种方法适用于低频测量。这里采用计周法进行频率测量。

在逻辑内，首先对输入的频率信号FREQ进行二分频，变为DIV_FREQ信号，在DIV_FREQ信号的上升沿开始计数，并在高电平内保持计数，在DIV_FREQ信号的下降沿锁存当前计数值，以备读取，这样就保证了计数周期为被测信号的一个完整周期，如图8所示。

图8 计周法波形图

2.3 相序监控

相序检测同样需要先将交流信号转换为方波信号，在可编程逻辑器件内通过逻辑来实现。其转换电路同频率采集的转换电路。

三相交流电源的相序按照A、B、C排布，A相超前B相120°，B相超前C相120°，则称为正序或顺序，反之则为逆序。

正序时，A相将超前B相，利用这一特点，即可通过可编程逻辑判断三相相序的正确性。判断的方法为在A的上升沿，B应为低电平，否则，发生相序故障。正序时的波形如图9所示，逆序时的波形如图10所示。相序故障能检测到的条件是比较门限的电压值应低于交叉点a的电压值，如果比较门限高于交叉点，相序故障将无法检测出，因为此时无论A、B相序正确还是故障，都满足在A的上升沿，B为低电平。也可换为B相、C相或C相、A相进行判断。

图9 正相序波形

图10 逆相序波形

3 地面电源监控的软件实现

3.1 地面电源监控软件的功能

对地面电源进行实时监控，在地面电源故障期间进行等延时或反延时保护。若地面电源恢复正常，则继续由地面电源供电；否则等延时或反延时后切断地面电源。

3.2 地面电源故障后切除或恢复地面电源供电的处理

当地面电源不正常时，将引发地面电源故障中断，进入地面电源故障处理，对地面电源进行切除或恢复地面电源供电。地面电源故障后切除或恢复地面电源供电的处理方法为：

（1）对地面电源的相序、三相电压、三相频率进行数据采样，并对采样数据（三相电压、三相频率）进行数字滤波。

（2）当地面电源相序故障，立即切断地面电源，并向其上位机发送应急通信包，切换到对地面电源的实时监控工作状态。

（3）当地面电源过压时做反延时保护，若地面电源持续过压，并达到反延时保护时间，立即切断地面电源，并向其上位机发送应急通信包，切换到对地面电源的实时监控工作状态。

（4）当地面电源出现欠压、过频或欠频时做等延时保护，若地面电源持续欠压、过频或欠频，并达到等延时保护时间，立即切断地面电源，并向其上位机发送应急通信包，切换到对地面电源的实时监控工作状态。

（5）当地面电源出现故障，在等延时或反延时保护期间，若地面电源恢复正常，则停止地面电源故障处理，切换到对地面电源的实时监控工作状态，继续地面电源供电。

（6）当地面电源故障被切除，切换到对地面电源的实时监控工作状态后，应向其上位机发送应急通信包，报告地面电源故障原因，并设置地面电源不允许再次接入标志。

4 结语

飞机地面电源在飞机的日常使用维护过程中起着不可或缺的作用。本文所述为对地面电源进行监控的方法，将符合飞机供电系统要求的地面电源接入机上电网，并实时监控地面电源的品质（即电压、频率和相序），当地面电源发生故障时，按系统要求对其进行切除处理。此方法已在飞机上进行了实际应用，实践表明其各项功能和技术指标均达到了设计要求，且工作稳定、可靠性高、抗干扰能力强、方便实用，可有效提高地面电源维护效率，减轻地面维护人员的负担，可以推广应用到飞机供电系统中。