楊艷明 孫薊沙 曹磊 陸云云 
（北京中科泛華測控技術(shù)有限公司，北京 100083 ） 
摘要： 衛(wèi)星電源變換器作為衛(wèi)星電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心部件，在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，需要對電源變換器的各項參數(shù)進行詳細測試。傳統(tǒng)的測試設(shè)備往往存在測試功能針對性太強、擴展性差以及測試人員操作繁瑣、工作量大等缺點。本文提出了基于柔性測試的通用衛(wèi)星電源變換器測試技術(shù)，闡述了其基本的測試原理以及具體軟硬件實現(xiàn)方法，完成了可擴展多型號電源變換器單板/整機的單項以及自動測試，并且可用于環(huán)境試驗測試以及仿真測試，擁有通用性、擴展性強、功能全面、智能化程序高等特點。 
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星電源變換器；柔性測試技術(shù)；模塊化 
中圖分類號：TP274  文獻標(biāo)識碼：A

 Design and Implementation on General Testing Equipment of Satellite Power Voltage Convertor Based on Flexible Technology

Yang Yanming，Sun Jisha，Cao Lei，Lu Yunyun
（Beijing Zhong Ke Fan Hua Measurement &Control Technology Co., Ltd.）
(Beijing Zhong Ke Fan Hua Measurement & Control Technology Co., Ltd. (Pansino Ltd.) Beijing, 100083, China)
Abstract: The satellite power voltage convertor has been important in satellite power system, which needs to be measured according to its lots of parameters. The traditional test system has some disadvantages of high pertinence, bad compatibility and too much working load. The general testing technology of satellite power voltage convertor is mentioned based on flexible testing technology. Its testing scheme and measurement is introduced including the hardware and software. Single boards and combination are tested in “one step” and automatic methods, which can also be applied in environment and simulation conditions. This testing system has the advantages of generality, extensibility and intelligence.
Key word: Satellite Power Voltage Convertor; Flexible Testing Technology; Modularization
0 引言 
衛(wèi)星電源系統(tǒng)由電源、電源控制設(shè)備、電源變換器、電源配電與電纜網(wǎng)等四部分組成。由于衛(wèi)星上各種電器、電子設(shè)備需要各種不同的直流電或者交流電，而衛(wèi)星電源一般只能提供一種或者幾種電壓的直流電，無法滿足用電設(shè)備的供電要求，因此電源系統(tǒng)需設(shè)置直流——直流變換器（DC/DC變換器），直流——交流（DC/AC變換器）等[1][2]。多數(shù)用電設(shè)備不由電源母線直接供電，而經(jīng)電源變換器變換后供電，電源變換器具有電源隔離和保護功能，一旦負載過載或者短路，它可對電源實施過流保護或短路保護，當(dāng)電源變換器輸出電壓超過規(guī)定范圍，它可實施過壓或者欠壓保護。
由于電源變換器在衛(wèi)星母線與星上供電設(shè)備之間起到中間轉(zhuǎn)換作用，電源變換器的性

能優(yōu)劣直接影響到星上設(shè)備的正常工作與安全，因此對電源變換器的測試顯得尤為重要。而目前的電源變換器測試系統(tǒng)存在以下幾個缺點：

1. 通用性、擴展性差

目前衛(wèi)星電源變換器的測試設(shè)備針對性很強，不同的單板以及組裝后的整機變換板測試設(shè)備繁多，因此對于新的電源變換器，以往的測試設(shè)備功能擴展性差[3]；

1. 設(shè)備總線資源有限

以往的測試設(shè)備由于總線和資源上的限制，在設(shè)計時通常采取定制方式，如控制指令的幅度、脈寬大多是針對某特定類型的變換器，且數(shù)量有限，在電源變換器升級或者功能增加的情況下，測試設(shè)備往往需要重新添加硬件或者軟件資源；

1. 測試智能化程度低

過去的電源變換器測試過程中，更多的依賴操作人員，如按照測試項人工手動測試，操作人員需整理電源變換器不同單板和整機的多個測試報告，尤其對于整機測試，多達幾十個的測試項讓操作人員精力耗費巨大，且效率低下，增加了由于誤操作導(dǎo)致變換器發(fā)生故障的幾率。
柔性測試技術(shù)是以測試測量系統(tǒng)的整體功能及性能為關(guān)注對象，對滿足測試測量系統(tǒng)需求的方法和手段進行研究及開發(fā)的技術(shù)。它以虛擬儀器技術(shù)為核心，融合了測試測量、機電一體化、網(wǎng)絡(luò)通信及軟件等多種技術(shù)；以測試系統(tǒng)的精確性、可靠性、適應(yīng)性、靈活性和拓展性為研究目標(biāo)；既面向應(yīng)用，又專注于測試行業(yè)的發(fā)展，推動著現(xiàn)代測試技術(shù)在實際應(yīng)用中的快速發(fā)展。
為此，本為提出了一種基于柔性測試的通用衛(wèi)星電源變換器測試技術(shù)，可以彌補以往變電源變換器測試設(shè)備的不足，使得測試儀器擁有通用性強、功能全面、智能化程度高的特點。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 
基于柔性測試技術(shù)的通用衛(wèi)星電源變換器測試系統(tǒng)整體方案設(shè)計如下圖所示：

圖 1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計原理

整個測試系統(tǒng)的核心是測試箱，外圍設(shè)備包括一次電源、電子負載、示波器等都基于GPIB接口與測試箱通信，電源變換器包括多種變換器單板和整機，通過不同的單板電纜和整機電纜與測試箱連接。另外展開箱用來對電源變換器與測試箱之間的信號進行展開，由撥動開關(guān)控制，方便對于某些關(guān)鍵信號進行實時測量以及故障判斷。
2 測試箱硬件組成 
2.1  PXI總線測試平臺 
由于測試箱是整個測試系統(tǒng)的核心，因此需對測試箱的設(shè)計做詳細說明[4]。由圖1可以看出測試箱的核心是基于PXI總線的測試平臺。該平臺由PXI插箱、PXI控制器、3塊多功能數(shù)據(jù)采集卡、1塊數(shù)字輸出板卡和1塊PXI-GPI B模塊組成。PXI各個模塊與控制器通過一個8槽的PXI總線背板連接，所有數(shù)據(jù)交互均通過PXI總線傳輸。
在PXI測試平臺中，控制器用來運行Windows操作系統(tǒng)，控制PXI模塊與總線的數(shù)據(jù)交互，圖1中標(biāo)識DAQ模塊1、DAQ模塊2、DAQ模塊3表示采用了3塊PXI采集板卡，用來完成電源變換板單板或者整機所有非功率信號的測試，主要包括模擬遙測、數(shù)字遙測以及DC/DC電壓監(jiān)控。每塊PXI采集模塊擁有16個采集通道，考慮到可以兼容其他型號衛(wèi)星電源變換器的測試，在設(shè)計時對PXI采集模塊資源做了整體規(guī)劃和預(yù)留。PXI總線模塊化、通用性的特點也使得PXI測試平臺在硬件資源擴展上更加方便快捷，只需要在PXI背板上插入新的模塊即可，不需要增加額外硬件或者驅(qū)動級的設(shè)計。
PXI數(shù)字輸出模塊用來向變換器單板或者整機提供控制指令，0~200ms之內(nèi)控制指令脈寬可設(shè)，步長1ms，由于在測試箱內(nèi)設(shè)計了指令電源模塊，因此指令的幅度也可以在0~30V之內(nèi)任意設(shè)定，滿足對指令幅度和脈寬的多種要求。PXI-GPIB模塊通過GPIB儀器總線控制一次電源、電子負載等外圍設(shè)備，能夠滿足多種不同外部設(shè)備與測試箱的互連。
同時，由于不同的衛(wèi)星電源變換板需要的激勵不同，因此在測試箱內(nèi)也設(shè)計了模擬電源模塊。如編號為1,2,3,4的4塊電源變換板組成了某衛(wèi)星的整體電源變換器，且模塊之間有信號及供電聯(lián)系，當(dāng)對其中編號為1的電源變換板進行測試時，1號變換板需要3號變換板提供控制指令，需要4號變換板提供供電或者負載，此時就需要測試箱能夠同時模擬4號板的電源或負載以及3號板的指令。通常模擬電源模塊包括模擬輸出為42V、28V以及12V等幾種電壓類型的DC/DC電源。
2.2  電阻負載插箱設(shè)計 
在衛(wèi)星電源變換單板或者整機測試時，過流保護、短路保護、欠壓或者過壓都是非常重要的測試項，考慮到測試設(shè)備能夠做環(huán)境試驗（長時間帶載）的因素，在測試箱內(nèi)也設(shè)計了電阻負載插箱，使得測試設(shè)備能夠在環(huán)境試驗的測試工況下長時間帶載測試。
電阻負載插箱根據(jù)電源變換器DC/DC輸出電壓類型及通道的不同，在內(nèi)部設(shè)計了多路負載，每路負載分多檔，便于在測試過程中動態(tài)加載。當(dāng)然，對變換板做帶載測試時也可以連接外部電子負載，如Agilent N3300主機和N3305A模塊，這樣在做變換器單板或者整機實驗時，可以方便地切換到電子負載測試，使得測試設(shè)備擴展性更強，解決了環(huán)境試驗和單板/整機實驗時均依賴繁重的電子負載做測試的問題。某路兩檔電阻負載與電子負載切換原理設(shè)計如下圖所示：

圖 2 負載切換電路設(shè)計原理圖

由圖中可以看出，該電路可以正常切換測試箱內(nèi)電阻負載和外圍電子負載，在使用電阻負載時可以高效地完成對于電源變換器空載、半載和滿載的測試。
2.3  系統(tǒng)測試接口 
關(guān)于測試接口部分除了普通的電壓信號測試外，還有大電流的測試。此時設(shè)計時考慮接插件上針點的限流大小，采用多點分流的方式連接負載，保證功率測試過程安全準確。
測試箱外圍留有VGA接口，將內(nèi)部PXI控制器上的VGA接口引出，連接外部顯示屏設(shè)備。同時，測試箱面板也留有USB接口，用來連接鼠標(biāo)鍵盤等，方便操作。考慮到電源變換器測試過程中需要觀測一次電經(jīng)過DC/DC變換后帶載不同情況下的紋波，在測試箱上也設(shè)計了多組BNC接口，方便示波器探頭的連接。
3 軟件設(shè)計 
3.1  軟件設(shè)計框架 
系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺選擇labVIEW，它的優(yōu)勢在于可以和基于PXI總線的各硬件模塊無縫連接，軟件設(shè)計人員不需要對PXI各模塊的驅(qū)動有深入了解，在開發(fā)過程中利用labVIEW提供的API即可進行程序開發(fā)，極大地提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)效率[5]。衛(wèi)星電源變換器測試系統(tǒng)軟件框架設(shè)計如下圖所示：

圖 3 系統(tǒng)軟件開發(fā)框架設(shè)計

考慮衛(wèi)星電源變換器測試設(shè)備的通用性，除了硬件上采用了基于模塊化設(shè)計的PXI總線平臺之外，軟件設(shè)計時同樣依據(jù)模塊化、序列性測試設(shè)計原則進行軟件功能劃分，分為電源變換器單板、整機、環(huán)境測試以及仿真測試四部分。
3.2  測試項配置

軟件設(shè)計基于測試項編寫不同的測試序列，實現(xiàn)上通過ini配置文件方便操作人員實時添加測試項，無需了解labVIEW編程平臺即可迅速完成其他型號單板/整機測試項功能的添加，軟件上實現(xiàn)了較強的通用性和擴展性，且易于操作。
軟件配置項界面如下圖所示：

圖 4 系統(tǒng)軟件測試項界配置界面

在該測試界面，可以靈活地在.ini配置文件中編輯測試項，之后根據(jù)不用的測試對象選擇相應(yīng)的測試項，組成測試項序列，另外也可定義測試項開始及結(jié)束條件，以便控制測試序列流程。
3.3  軟件單步及自動測試 
系統(tǒng)軟件除了可以完成電源變換器多種單板及整機單項測試外，還完成了整機及環(huán)境試驗下的自動測試功能，解決了諸如過流保護、短路保護等以往測試設(shè)備人工操作較為危險、所需外圍設(shè)備繁多、操作復(fù)雜等棘手問題，并且整機的測試時間大幅縮短，相比之前效率提到了幾十倍，智能化程度得到了較大的提高。
系統(tǒng)軟件自動測試界面如下圖所示：

圖 5 系統(tǒng)自動測試界面

在軟件自動測試界面，可以看到對于操作人員選中的多個測試項組成的測試序列，軟件可以自動控制各測試項關(guān)聯(lián)的硬件操作，從而按照選定的順序完成自動測試，中間測試過程無需操作人員干預(yù)。
3.4  軟件報表設(shè)計 
系統(tǒng)軟件設(shè)計了完善的報表功能，對于單板或者整機測試時所有的測試項均設(shè)計了基于模版的報表子項，可以動態(tài)靈活地設(shè)置諸如欠壓、過壓切換臨界電壓值、過流、短路保護閾值等，待某些實驗完成后操作人員自定義選擇報表子項，最后生成一份滿足某項實驗的測試報告，無需操作人員做任何改動或者添加即可作為報告歸檔，實現(xiàn)測試過程到報表生成的無間斷操作，極大地減小了以往操作人員實時記錄、表格整合、數(shù)據(jù)歸類等繁雜操作的工作量，進一步提高了電源變換器的測試效率。
4 系統(tǒng)技術(shù)難點實現(xiàn) 
衛(wèi)星電源變換器測試過程中，欠壓切換過程的捕獲難度較大，主要是以往測試設(shè)備在總線數(shù)據(jù)帶寬上有所限制，無法達到較大的數(shù)據(jù)吞吐量。本文提出的基于PXI總線的測試平臺可以實現(xiàn)每個遙測采集通道幾十KS/s的采樣率，并進行實時數(shù)據(jù)處理和顯示，能夠很好地對衛(wèi)星電源變換器DC/DC欠壓過程進行測試和監(jiān)控。
另外由于星上用電設(shè)備的特殊性導(dǎo)致衛(wèi)星電源變換器的遙測輸出也較為特殊，通常情況下輸出阻抗較高，因此實際測試設(shè)備設(shè)計過程中在信號調(diào)理部分設(shè)計了阻抗匹配電路，利用反向運算放大電路高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，解決了由于遙測信號輸出阻抗高帶來的高采樣率下精度下降的問題。反向運放電路原理如下圖所示：

圖 6 反向運算放大電路原理圖

由于在測試箱內(nèi)設(shè)計了電阻負載，因此測試箱整個系統(tǒng)的散熱也是設(shè)計難點，良好的散熱通道設(shè)計、多個強力風(fēng)扇的機械裝配設(shè)計都是保證測試箱氣流順暢流通的重要手段。另外測試箱內(nèi)裝配的模塊較多，包括PXI總線測試平臺、模擬電源模塊以及電阻負載等，因此測試箱內(nèi)的電磁干擾問題也需要考慮，對模擬電源模塊進行電磁屏蔽封裝盒設(shè)計，整個測試箱選擇屏蔽箱，同時在信號調(diào)理部分對關(guān)鍵信號進行濾波處理，測試箱內(nèi)合理布局、布線等措施在實際測試中效果較好。
5 總結(jié) 
綜上所述，本文提出的基于柔性測試的通用衛(wèi)星電源變換器測試技術(shù)側(cè)重于模塊化設(shè)計，配合其他的外圍模塊，如DC/DC模擬電源、電阻負載及儀器即可搭建功能全面的衛(wèi)星電源變換器測試系統(tǒng)；同時測試系統(tǒng)較大的總線帶寬、良好的機械特性也提高了測試設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性。另外基于labVIEW平臺開發(fā)的系統(tǒng)軟件，以模塊化、序列性測試的軟件框架實現(xiàn)了衛(wèi)星電源變換器多種單板及整機型號的測試需求，智能化程度高，易于操作及擴展。
目前基于柔性測試技術(shù)的衛(wèi)星電源變換器測試設(shè)備已投入實際使用中，運行良好。
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