一种飞机供电系统交流电源峰值快速采样方法

车炯晖,呼明亮,於二军

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所,陕西 西安 710065)

0 前言

随着飞机电气化水平的不断提高，多电飞机和全电飞机技术的发展，飞机供电系统[1]在现代飞机系统中地位越来越高，是安全飞行的重要保障。机载交流电源品质的好坏是决定供电系统和用电设备能否稳定运行的重要因素[2,3]。因此，机载交流电源峰值检测，依据检测结果及时进行故障切除和系统重构，成为影响飞机飞行安全的关键技术。本文提出一种机上三相交流电源参数的检测方法，该方法与传统方法比较电路规模减小了5倍左右，实时性提高了1个数量级。

1 传统交流电源峰值采集设计

目前机上对交流电源的采集主要有峰值采集和有效值采集两种方式[7]。有效值采集一般采用集成芯片实现，如AD536、AD736、AD637等。该类电路一般由绝对值电路，平方/除法器，滤波电路，缓冲放大器4个部分组成，如图1所示。

图1 集成有效值采样电路原理

对于峰值采集，一般采用分立元器件搭成。典型的峰值采样电路原理如图2所示[7]，该电路需要适时地控制电容放电来检测较小的峰值。

图2 峰值采样电路原理

这两种方法至少要经过一个电源周期才能采集到结果，约250μs。对于峰值采集电路，至少要经过0.25个电源周期，即62.5μs左右。

2 快速交流电源参数采集设计

2.1 快速交流电源参数采集方法

对机上需求进行分析，发电机供电专业主要对发电机实时工况采集实时性要求较高，便于系统及时对发电机异常情况作出反应，反而对测量精度要求不高。

本文采用一种定点电压法来测量三相交流电源的峰值[5,6]。采样电路应同时采集三相交流信号A相、B相和C相的电压值Ua、Ub和Uc，可以列出下面的公式：

由(2)式可以得到：Ub=Asin(ωt+φ)cos(120)-Acos(ωt+φ)sin(120).

(4)

由(3)式可以得到：Uc=Asin(ωt+φ)cos(120)+Acos(ωt+φ)sin(120).

(5)

(6)

由(1)式和(6)式可以得到：

(7)

即：

(8)

本文采用AD转换器AD7656每3μs可完成一次采样，即每3μs可以更新一次峰值电压。由图3可以看出在三相交流电稳态情况下在0时刻即可得到电压峰值。实际计算机中，在15μs后可得到电源峰值。比传统供电管理计算机250μs得到电压峰值的指标提高了10倍以上。

图3 三相交流电源峰值仿真

考虑到三相交流电源中存在奇次谐波，其中主要是3次和5次谐波。按照GJB181B的要求，本文在供电网络上增加了3次和5次谐波，计算出的峰值A为图4中蓝色线。由仿真结果可以看出，在谐波存在的情况下，电源电压峰值采集存在一定的波动性，但仍没有奇点，可以满足谐波干扰状态下的使用。并在干扰消失后，15μs就能重新恢复采集值正常。为了进一步消除电源谐波对信号采集的影响，产品通过软件对采集值进行滤波处理，处理后可以进一步减小在谐波干扰的情况下电压测量值与基波峰值之间的误差。

图4 三相交流电源加入谐波峰值仿真

同样的，供电管理计算机可以根据该方法快速计算出角频率ω和电压相位，用于相序判断、并网等应用场景，本文在这里不做详述。

2.2 交流电源参数采集电路及实现

根据上一节的算法，需要三路同步的电压采集电路。由于本文选择的AD转换器AD7656具有6路并行性采集通道，因此不需要采样保持电路。前端电路仅分为调理电路，放大及相位矫正，AD转换三个部分，如图5所示。本文实时采集了三相交流电源的相电压，方便及时发现电网的异常并采取相应的调整和保护措施。

图5 三相交流电源参数采集电路

2.3 试验验证及需求匹配情况

本文与传统供电管理计算机对比了采集结果的精度和实时性。该产品使用集成芯片测试电压有效值，采集精度±0.5%左右，本文所述的电路采集精度±0.5%左右，精度相当；传统供电管理计算机采集实时性约为270μs左右，本文所述电路采集实时性约为15μs左右，实时性大幅提高。

对于机上交流电源发生异常时，由于该电路采集实时性高，在异常发生时，可以在15μs左右发现异常，并将异常上报。同时，在异常发生时供电管理计算机开启记录模式，将三相电压波形完整记录下来，与机上其他数据一起记录，方便后续排查异常原因。

3 结束语

按照此方案试制的通用采集接口模块，根据实测，可满足现有飞机机电系统信号采集精度的同时，大幅提高了采集实时性；可应用于供电管理计算机及RDC当中，具有较高的推广价值。