飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)誤差的分析與處理

為了驗證飛機供電系統(tǒng)的設計制造是否滿足給定的要求，必須對其供電品質(zhì)進行系統(tǒng)的測試[1] 。南京航空航天大學航空電源重點實驗室研制了基于VXI總線的飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能進行實時、高精度的多路信號測量，研制工作中，本人參與組建、調(diào)試了硬件系統(tǒng)、編制了軟件處理程序、對系統(tǒng)誤差與隨機誤差進行了分析與處理，最終使該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度高，可滿足飛機電源系統(tǒng)的測量工作，能為飛機電源的定型制造提供依據(jù)。本文重點介紹該測試系統(tǒng)的誤差分析與處理。

　　1 飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)簡介

　　飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

　　本系統(tǒng)的精度取決于輸入輸出接口(調(diào)理電路)、A/D轉(zhuǎn)換器的精度、軟件處理精度，當然，采樣頻率和采樣周期也是決定性因素之一。根據(jù)誤差的性質(zhì)和特點，一般將其分為粗大誤差、隨機誤差和系統(tǒng)誤差3類。本文分別研究了該系統(tǒng)中的3類誤差處理方法。

　　2 粗大誤差的處理

　　本系統(tǒng)中粗大誤差的出現(xiàn)可能源于飛機電源系統(tǒng)中偶然出現(xiàn)的毛刺，它的存在大大影響測量結(jié)果的準確性.我們采用一階差分方程

　　xt′=xt-1+(xt-1-xt-2) 式中為xt′為t時刻的預測值;xt-1為t時刻前1個采樣點的值;xt-2為t時刻前2個采樣點的值。

　　由式(1)可知，t時刻的值可以用xt-1和xt-2時刻的取值來推算。當數(shù)據(jù)采樣頻率比物理量變化的最高頻率大得多時，這種預測方法有足夠的精度。我們用t時刻的預測值和t時刻的實際數(shù)據(jù)值進行比較，然后來判斷t時刻的實際數(shù)據(jù)值是否為奇異項。其判斷的準則是.給定一個誤差窗口W，若t時刻的實際數(shù)據(jù)為xt，當|xt-xt′|>W時，則認為此采樣值不符合正常變化規(guī)律，是奇異項。一般誤差窗口的大小要根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率和物理量的變化特性決定[2] 。

　　根據(jù)上述理論，編寫交、直流穩(wěn)態(tài)電壓和電流測量數(shù)據(jù)奇異項的檢出程序。設定相對誤差為10%，用差分方程計算出某點的預測值與該點實際采樣值比較，若相對誤差大于10%，則該點為奇異項。檢出奇異項后就在該點位置上補上一個與預測值相等的數(shù)據(jù)點。

　　3 克服隨機誤差的軟件處理方法

　　在實際的被測信號中，往往含有各種噪聲和干擾，它們來自被測信號本身、傳感器、電磁干擾或A/D變換器的量化效應等，其振幅和相位隨時間的變化是不規(guī)則的，因此它們對測量結(jié)果的影響屬于隨機誤差的范疇。這里利用微處理器功能，對測量的結(jié)果采用一定的軟件處理方法，可以減小測量中的隨機誤差。對于某被測量n次獨立的、無系統(tǒng)誤差的等精密度測量，得到n個測量數(shù)據(jù)x1，x2，…,xn，則被測量最可能的估計值為全部測量數(shù)據(jù)的算術平均值，這稱之為算術平均值原理，即

按算術平均值原理等精密度重復測量可使隨機誤差對最后結(jié)果的影響減小到最低限度。

　　本系統(tǒng)在計算電壓、電流有效值、諧波含量、電壓調(diào)制參數(shù)時，皆盡量提高采樣頻率、增加測試周期，盡可能地減小隨機誤差。
4 系統(tǒng)誤差的分析與處理

　　4.1 LEM型電流、電壓傳感器引起的誤差

　　本系統(tǒng)凋理電路中的傳感器有多個LEM霍爾模塊型電流傳感器、LEM模塊型電壓傳感器。電壓、電流傳感器所產(chǎn)生的誤差，一方面由其自身的精度引起，另一方面還受傳感器的使用正確與否和外磁場干擾的影響。

　　LEM霍爾電壓、電流傳感器的線性度好，精度高，但使用不當也會引起測量誤差，如當直流電流通過原邊線圈時，傳感器尚未接電源，或者次級線圈開路，使次級線圈回路不能提供相應的補償電流，造成聚磁環(huán)磁化，產(chǎn)生剩磁，從而影響測量精度。

　　本系統(tǒng)一方面將LEM模塊放人磁場屏蔽罩中以避免外磁場的干擾，另一方面嚴格遵守系統(tǒng)測試操作程序，使整個系統(tǒng)只有在傳感器接通電源的條件下才有可能開始測試，以避免聚磁環(huán)被磁化。

　　經(jīng)過多次重復測量，測量結(jié)果見表1，證實了調(diào)理電路存在系統(tǒng)誤差。此系統(tǒng)誤差有這樣幾個來源：5A電流傳感器誤差為±0.5%;PM3300功率分析儀測量誤差為±0.05%;采樣電阻的精度為±0.1%;接線誤差等。在這里將每路輸出用輸入值=輸出值÷(1-0.4%)的方法來減小系統(tǒng)誤差，實踐證明此方法是行之有效的。

　　4.2 非同步采樣引起的誤差

　　同步采樣是指被測周期信號f(t)在時間區(qū)間[t0,t0+T]內(nèi)按等間隔Ts,采樣N+1個點，它要求：1)采樣間隔相等;2)采樣間隔乘以N(N為每周期的采樣點數(shù))應嚴格等于被測信號的周期，即Ts×N=T。如果恰好等于被測信號的1個周期，則為理想化的同步采樣，當采樣點數(shù)符合采樣定理時，不存在同步采樣誤差[4-5] 。但在實際的微機測試中，被測信號周期和采樣間隔一般以微處理器的計數(shù)值表示，為正整數(shù)，在除法運算時會產(chǎn)生舍入誤差，這樣，采樣間隔Ts≠T/N，從而引起同步誤差(稱周期誤差)，其大小為：

　　△T=N×Ts-T 如圖2,設測試系統(tǒng)的第1個采樣點在基頻的α1點。，第N個采樣點在α點，由于同步誤差△T的存在，α1≠α2，這時實際采樣間隔為：

　　由此可見，同步誤差是由于測試系統(tǒng)所用的微處理器的系統(tǒng)頻率不能無限高，其計數(shù)周期不能無限小、電網(wǎng)電壓的波動等因素引起的。

實際工作中，不可能做到同步采樣，這就引起了非同步采樣誤差。當存在同步誤差時，采樣起始點位置與有效值、有功功率測量方法誤差有關系。選擇適當?shù)牟蓸悠鹗键c位置可減小甚至可消除同步誤差對信號有效值、有功功率的影響。在“最佳采樣起始點”附近采樣時，誤差很小，工程實現(xiàn)方便。傳統(tǒng)的“恰過零點采樣”是一種不利于抑制同步誤差影響的方法。

　　利用HP VEE中任意波形發(fā)生器產(chǎn)生標準波形進行仿真實驗，可以得出：測量正弦波信號的有效值“最佳采樣起始點”在0°左右;測量正弦波的諧波含量，“最佳采樣起始點”在60°左右。表2為不同采樣起始點同步誤差與有效值誤差、有功功率測量誤差的關系。

　　在計算功率時，對電壓、電流采樣的同時性要求很高，如果電壓、電流采樣不同時，相差t時間，則測得的功率中將有非同時采樣誤差：

　　δ=|wttanρ|×100%

　　式中ρ-功率因數(shù)角;w-采樣信號的角頻率[6] 。

　　由式(5)知，隨著功率因數(shù)的減小，非同時采樣誤差將急劇增大，因此系統(tǒng)應充分考慮這一誤差。因使用1個A/D轉(zhuǎn)換器無法完成對電壓信號和電流信號同時采樣的任務，所以本系統(tǒng)采樣時同時啟動3個A/D轉(zhuǎn)換器，讓電壓模擬量和電流模擬量分別進人A/D轉(zhuǎn)換器，從而使非同時采樣誤差對系統(tǒng)精度的影響達到最小程度。

　　5 結(jié)論

　　設備選擇是關鍵，誤差處理也很重要。通過以上的誤差處理，該測試系統(tǒng)的測量精度如下。

　　穩(wěn)態(tài)電壓：±1.0%

　　瞬態(tài)電壓：±0.5%

　　穩(wěn)態(tài)頻率：±0.4%

　　電流：±1.0%

　　相移：±0.5°

　　功率：±1.5%

　　實踐證明，該系統(tǒng)能為國產(chǎn)飛機電源系統(tǒng)的設計定型提供有力的依據(jù)。