АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИМИТАЦИИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2006 года по МПК G01R31/28 G05F1/46 

Изобретение относится к комплексам для испытаний электронных систем управления и контроля, а именно к комплексам, имитирующим нестабильность работы источников питания постоянного тока бортовых систем электроснабжения летательных аппаратов.

Бортовые системы электроснабжения (БСЭС) самолетов и вертолетов должны надежно формировать требуемые уровни электропитания бортовых систем и устройств для исключения возможности возникновения аварийных ситуаций в процессе полета. Однако жесткие ограничения по массе и габаритам бортовых устройств электропитания приводят к тому, что качество бортового электроснабжения имеет довольно существенную нестабильность, обусловленную коммутацией различной электронной аппаратуры, запуском от электрического стартера авиадвигателя, коммутацией различных электротехнических устройств и различными электромагнитными помехами, возникающими на борту летательного аппарата.

В настоящее время наблюдается тенденция к существенному увеличению мощности электрооборудования и появлению новых потребителей электроэнергии на борту летательного аппарата, в том числе электроприводы управления механизацией самолета и проточной частью его двигателя, электроприводные топливные и масляные насосы, мощные радиолокационные средства и др. Включение, работа и отключение различных электронных и электрических систем вызывает сложные переходные процессы в цепях электропитания. В связи с этим возникает необходимость исследования функционирования авиационной электронной аппаратуры на нестабильность электропитания в лабораторных условиях до выхода на двигательные стенды и летные испытания. Для проведения таких предварительных исследований и испытаний необходим специальный аппаратно-программный комплекс.

Подобные устройства, используемые на предприятиях-разработчиках авиационной электронной аппаратуры, имеют серьезный недостаток, связанный с тем, что для проведения каждого отдельного вида испытаний собираются и настраиваются специальные схемы, при этом отсутствует автоматизация и комплексность проведения испытаний. Это приводит к низкой точности формирования испытательных воздействий и большим временным затратам на проведение испытаний.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является схема регулируемого источника напряжения постоянного тока, приведенная в справочнике «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры» под редакцией Г.С.Найвельта, Москва, «Радио и связь», 1986, стр.203-204.

Основным недостатком данного устройства является отсутствие средств автоматического управления его работой и аппаратно-программных средств формирования заданных отклонений выходного напряжения от номинального значения, т.е. различных видов нестабильности напряжения питания постоянного тока.

Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности проведения испытаний электронной аппаратуры в автоматизированном режиме, повышение точности формирования испытательных воздействий на нее, снижение затрат времени на испытания, автоматизация отображения и регистрации результатов испытаний.

Технический результат достигается в заявляемом аппаратно-программном комплексе имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока, который позволяет проводить испытания и исследования в полном объеме современных требований, за счет введения средств имитации различных видов нестабильности в работе БСЭС и полной автоматизации процессов управления испытаниями и отображения и регистрации их результатов. Для этого заявленный аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока снабжен блоком автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания, регулируемым источник напряжения постоянного тока с контрольно-измерительной аппаратурой, блоком согласующих устройств, блоком имитации пульсаций напряжения питания, блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электротехнических устройств, блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры, комплексирующим устройством и устройством нагрузки, при этом блок автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания соединен через блок согласующих устройств с регулируемым источником напряжения постоянного тока, с блоком имитации пульсаций напряжения питания, с блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электротехнических устройств, с блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры, которые через комплексирующее устройство подключены к устройству нагрузки, которое связано через согласующее устройство с блоком автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания.

Нестабильность напряжения питания на борту летательного аппарата в его БСЭС постоянного тока, с номинальным напряжением 27В, можно разбить на несколько составляющих.

При длительной работе БСЭС наблюдаются сравнительно медленные и плавные изменения выходного напряжения, диапазон которых может составлять от нескольких вольт в нормальном режиме работы БСЭС до десятка вольт и более в ненормальном и аварийном режимах ее работы.

При резком изменении нагрузки, т.е. при подключении или отключении мощных бортовых приемников электроэнергии, наблюдаются кратковременные, длительностью в несколько десятых долей секунды, забросы или провалы напряжения, уровень которых составляет несколько десятков вольт и зависит от режима работы БСЭС - нормальный, ненормальный или аварийный режимы.

В случае переключения БСЭС на резервный канал, например, при отказе основного канала электроснабжения имеют место кратковременные перерывы электропитания бортовых приемников электроэнергии, длительность которых от десятков миллисекунд при нормальном режиме до нескольких секунд при ненормальном режиме работы БСЭС летательного аппарата. При перерывах электропитания выходное напряжение БСЭС может снижаться до нескольких вольт и даже обнуляться.

При запуске авиадвигателей и бортовых вспомогательных силовых установок от наземных и бортовых источников электроэнергии напряжение на шинах БСЭС может иметь величину от 10В до 27В в течение нескольких десятков секунд.

Перечисленные виды нестабильности формируются в заявляемом аппаратно-программном комплексе регулируемым источником напряжения постоянного тока, имеющим номинальное рабочее напряжение 27 В, рабочий диапазон выходного напряжения 0...80 B, уровень собственных пульсаций выпрямленного напряжения не более 10 мВ, номинальную выходную мощность 1кВт и время срабатывания схемы прерывания выходного напряжения 0,5 мс.

Из-за работы бортовых выпрямительных устройств в БСЭС имеют место пульсации напряжения питания. Амплитуда пульсаций может иметь величину до двух вольт. Частотный диапазон пульсаций - от десятков Гц до десятков кГц. Данный вид нестабильности формируется в заявляемом аппаратно-программном комплексе блоком имитации пульсаций напряжения питания, построенным на основе специального генератора, обеспечивающего формирование выходного сигнала с максимальной амплитудой 2 В на нагрузке 0,7 Ом в диапазоне частот 0,02...200 кГц.

При отключении от БСЭС мощных бортовых приемников электроэнергии, создающих нагрузку индуктивного характера (коммутаторы, контакторы, электродвигатель, электростартеры, электрические реле и т.п.), в момент размыкания цепи на контактах коммутационных устройств возникают импульсы напряжения длительностью от единиц до сотен микросекунд. Эти импульсы накладываются на напряжение питания и могут иметь амплитуду до 600 В. Данный вид нестабильности формируется в заявляемом аппаратно-программном комплексе блоком формирования импульсов напряжения, возникающих от коммутации электротехнических устройств. Этот блок строится на базе генератора импульсов, формирующего импульсы положительной и отрицательной полярности с амплитудой до 600 В с изменяемой длительностью от 10 до 1000 мкс и регулируемой частотой следования импульсов от 1 до 5 Гц. При этом могут формироваться как одиночные, так и пачки импульсов.

Блок имитации импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры строится на базе генератора, создающего импульсы с амплитудой от минус 50 до 50 B, длительностью 5 мкс и дискретной частотой генерации импульсов 1, 2 и 4 импульса в секунду.

Комплексирующее устройство строится на базе развязывающих трансформаторов.

Формирование испытательных циклов без средств автоматизации не позволяет обеспечить высокую точность имитации указанных видов нестабильности ни по их величине, ни по их длительности. К тому же отсутствие средств автоматизации испытаний вносит в их проведение значительный субъективный фактор, так как длительность имитируемых изменений напряжения питания имеет диапазон от долей секунды до нескольких часов непрерывной работы. Субъективный фактор имеет место также при отображении и регистрации изменения напряжения с помощью запоминающих осциллографов. Для преодоления указанных недостатков в заявляемом аппаратно-программном комплексе предусмотрен блок автоматизированного управления, отображения и регистрации. Этот блок представляет собой ЭВМ со стандартным набором устройств, например системный блок, монитор, принтер и т. д. Кроме того, для обеспечения связи с другими блоками заявляемого устройства в состав ЭВМ включена интерфейсная плата, осуществляющая аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование информации, имеющая цифровой порт ввода-вывода и программируемый таймер. Плата имеет 12-разрядый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 16-разрядный программируемый таймер с опорной частотой 1 МГц.

ЭВМ по заложенным в нее программам управления формирует испытательные циклы, принимая информацию через аналого-цифровой преобразователь, вычисляя управляющие воздействия и формируя на выходе цифроаналогового преобразователя напряжение, управляющее работой имитаторов. Кроме того, на экране монитора ЭВМ происходит отображение графиков изменения выходного напряжения имитаторов, тока нагрузки и т.п. Регистрация хода испытаний осуществляется путем записи информации с экрана монитора в графические файлы и информации, принимаемой с аналого-цифрового преобразователя, в числовые файлы.

Блок согласующих устройств представляет собой, например, набор усилителей, предназначенных для стыковки маломощных выходов цифроаналогового преобразователя и цифрового порта со входами имитаторов, а также набор делителей, предназначенных для ввода регистрируемых параметров в ЭВМ.

Заявленный аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока позволяет формировать различные виды нестабильности напряжения питания постоянного тока в автоматическом режиме с требуемой точностью, а также проводить в автоматическом режиме испытания и исследования бортовой и прочей электронной аппаратуры на воздействие нестабильности напряжения питания постоянного тока, при этом в ходе испытаний и исследований наблюдать на экране монитора ЭВМ изменения величины формируемого напряжения питания, тока нагрузки и других параметров, фиксировать в памяти ЭВМ графическую и числовую информацию о проведенной работе.

Выполнение всех этих функций обеспечивается путем запуска соответствующих компьютерных программ.

На фиг.1 изображена схема заявляемого аппаратно-программного комплекса имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока.

На фиг.2 изображен график изменения выходного напряжения при проведении испытаний на установившихся нормальных, ненормальных и аварийных режимах работы БСЭС, где время от 0 до 50 минут соответствует нормальному режиму, время от 40 до 70 минут соответствует ненормальному режиму, а от 70 до 160 минут соответствует аварийному режиму.

На фиг.3 изображен график изменения выходного напряжения при проведении испытаний на переходных нормальных режимах работы БСЭС при наличии перерыва электропитания, где показана графическая форма изменения напряжения питания при забросах, перерывах и провалах электропитания.

На фиг.4 изображен график изменения выходного напряжения при проведении испытаний на переходных ненормальных режимах работы БСЭС, где показана графическая форма изменения напряжения питания при различных уровнях и длительностях переходных режимов, при этом на графике I уровень составляет 40В, длительность - 0.3 с; на графике II уровень - 37 В, длительность - 0.6 с; на графике III уровень - 34 В, длительность - 1 с.

На фиг.5 изображен график изменения выходного напряжения при имитации работы БСЭС в режиме запуска авиадвигателя, где приведен пример изменения напряжения в пределах от 10 до 27 В, где в момент запуска двигателя напряжение резко снижается с уровня 27 В до 10 В, затем в течение 2 с напряжение поднимается до уровня 14 В, в дальнейшем в течение 50 с напряжение постепенно поднимается до уровня 16 В, а затем БСЭС летательного аппарата выходит на уровень 27 В.

На фиг.6 показаны примеры имитации пульсаций напряжения питания разной формы и с разной частотой. График пульсаций с частотой 10 Гц и график пульсаций с частотой 10 кГц.

На фиг.7 приведен пример графика импульса сложной формы, возникающего при коммутации электротехнического устройства, обладающего высокой индуктивностью, в данном случае имитируется работа контактора. Длительность импульса составляет 100 мкс.

На фиг.8 приведен пример импульса, возникающего при коммутации электронной аппаратуры, длительность импульса составляет порядка 5 мкс с отклонением ±35 В относительно номинального значения 27 В.

Заявляемый аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока, схема которого изображена на фиг.1, содержит блок 1 автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания, блок 2 согласующих устройств, регулируемый источник 3 напряжения постоянного тока с контрольно-измерительной аппаратурой, блок 4 имитации пульсаций напряжения питания, блок 5 формирования импульсов напряжения от коммутации электротехнических устройств, блок 6 имитации импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры, комплексирующее устройство 7 и устройство 8 нагрузки. При этом блок 1 автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания соединен через блок 2 согласующих устройств с регулируемым источником 3 напряжения постоянного тока, с блоком 4 имитации пульсаций напряжения питания, с блоком 5 имитации импульсов напряжения от коммутации электротехнических устройств, с блоком 6 импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры, которые через комплексирующее устройство 7 подключены к устройству 8 нагрузки, и которое связано через блок 2 согласующих устройств с блоком 1 автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания.

Аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока работает следующим образом.

Перед началом работы параллельно устройству 8 нагрузки подключают испытываемые электронные системы и устройства с контрольно-поверочной аппаратурой, входящей в их комплект. Работоспособность испытываемой аппаратуры проверяется при номинальном значении напряжения питания. Затем путем запуска соответствующих компьютерных программ на испытываемую аппаратуру с заявляемого аппаратно-программного комплекса имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока подаются требуемые виды нестабильности напряжения питания. Работоспособность испытываемого устройства оценивается в ходе подачи испытательных воздействий и по окончании их подачи. Запись графической и числовой информации в файлы по мере необходимости производится по командам оператора, подаваемым с клавиатуры промышленной ЭВМ.

Заявляемый аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока позволяет проводить испытания и исследования электронных систем и устройств БСЭС на соответствие современным стандартам и нормативным документам, содержащим требования к качеству электропитания, а также исследовательские работы по специальным, индивидуальным программам. При этом заявляемый аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока превосходит использовавшиеся ранее устройства по точности формирования испытательных воздействий и степени автоматизации проведения испытаний электронной аппаратуры, а кроме того, уменьшает затраты времени на проведение испытаний и повышает их эффективность и достоверность.

Аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока предназначен для имитации нестабильности работы источников питания бортовых систем электроснабжения летательных аппаратов. Комплекс содержит регулируемый источник напряжения постоянного тока, блок имитации пульсаций напряжения питания, блок имитации импульсов напряжения от коммутации электротехнических устройств, блок имитации импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры, выходы которых через комплексирующее устройство подключены к устройству нагрузки. Комплексирующее устройство выполнено на базе развязывающих трансформаторов. Устройство нагрузки, регулируемый источник напряжения постоянного тока и блоки имитации связаны через блок согласующих устройств с блоком автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания. 8 ил.

Аппаратно-программный комплекс имитации нестабильности напряжения питания постоянного тока, включающий регулируемый источник напряжения постоянного тока с контрольно-измерительной аппаратурой и устройство нагрузки, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен блоком автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания, блоком согласующих устройств, блоком имитации пульсаций напряжения питания, блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электротехнических устройств, блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры и комплексирующим устройством, при этом блок автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания соединен через блок согласующих устройств с регулируемым источником напряжения постоянного тока, с блоком имитации пульсаций напряжения питания, с блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электротехнических устройств, с блоком имитации импульсов напряжения от коммутации электронной аппаратуры, которые через комплексирующее устройство подключены к устройству нагрузки, и которое связано через блок согласующих устройств с блоком автоматического управления, отображения и регистрации напряжения питания.