馬兵兵，翟麗婷，孫 璐

（1.北京航天動(dòng)力研究所，北京100076；2.北京航空航天大學(xué)，北京100083）

0 引言

針對(duì)飛行器不同飛行狀態(tài)的要求，動(dòng)力系統(tǒng)需采用變推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行推力控制。武器動(dòng)力系統(tǒng)采用變推力發(fā)動(dòng)機(jī)可以提高武器的機(jī)動(dòng)性，加強(qiáng)突防能力，運(yùn)載火箭如果采用變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)推力控制，發(fā)揮火箭的最佳運(yùn)載能力[1]。因此，變推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究一直是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并已經(jīng)取得許多成果，其中最成功的代表是阿波羅登月計(jì)劃登月艙下降發(fā)動(dòng)機(jī) （Lunar Module Descent Engine－LMDE）。

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)液體雙組元火箭變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，采用改變固定的噴注單元上游供應(yīng)系統(tǒng)的壓降（即采用推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)控制閥）來(lái)調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)固定幾何形狀噴注器的推進(jìn)劑流量。美國(guó)LMDE發(fā)動(dòng)機(jī)采用針閥機(jī)械定位噴注器與可變截面的汽蝕文氏管閥，保證在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行等混合比的流量控制。20世紀(jì)80年代國(guó)防科技大學(xué)研制出杠桿雙調(diào)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，利用杠桿帶動(dòng)流量調(diào)節(jié)錐和噴注器的調(diào)節(jié)針閥實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)。1992年，國(guó)內(nèi)成功研制了混合比和噴注性能同時(shí)可控、多次啟動(dòng)、雙組元雙調(diào)節(jié)低壓流量定位變推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。

隨著變推力技術(shù)研究不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)某研究所研制了某型變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)采用燃料及氧化劑路的調(diào)節(jié)閥協(xié)調(diào)控制推進(jìn)劑流量，兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為此研制了基于DSP處理器的隨機(jī)推力調(diào)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

隨機(jī)變推力控制系統(tǒng)主要由隨機(jī)推力調(diào)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)器、燃料調(diào)節(jié)閥、氧化劑調(diào)節(jié)閥、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及上位機(jī)組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作原理是：隨機(jī)推力調(diào)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)器接收上位機(jī)隨機(jī)推力指令，在定混合比條件下，協(xié)調(diào)控制燃料路及氧化劑路上的調(diào)節(jié)閥，從而控制燃料及氧化劑的流量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)隨機(jī)變推力控制。

2 硬件電路

隨機(jī)推力調(diào)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)器主要包括兩個(gè)電路板：主控制器板和隔離驅(qū)動(dòng)板，如圖2中虛線框內(nèi)所示。主控制器板接收上位機(jī)RS422通訊接口下發(fā)的目標(biāo)推力指令，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能計(jì)算輸出兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)。隔離驅(qū)動(dòng)板將控制信號(hào)隔離放大，輸出驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥，并采集調(diào)節(jié)閥位置傳感器信號(hào)。

主控制器板以美國(guó)TI公司DSP中的TMS320LF2407A為核心器件、外部擴(kuò)展RS422通訊模塊及I/O驅(qū)動(dòng)電路等組成。主控制芯片功耗低，40MIPS的執(zhí)行速度，片內(nèi)32 K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器[3]。該芯片的指令執(zhí)行速度、儲(chǔ)存空間、IO端口均滿足步進(jìn)電機(jī)控制的要求。

步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)的技術(shù)關(guān)鍵是防丟步。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路性能好壞直接影響步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，一個(gè)匹配的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以避免丟步的發(fā)生。本設(shè)計(jì)采用硬件斬波恒流電路驅(qū)動(dòng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，在繞組通電的開(kāi)始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到標(biāo)定值后，自動(dòng)斬波控制，使繞阻電流在額定值上下成鋸齒波形波動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式通過(guò)快速提升電機(jī)繞阻電流，其電流前沿越陡越有利于繞組磁場(chǎng)的快速建立，有利于防止電機(jī)丟步，同時(shí)極大地改善了驅(qū)動(dòng)電流波形，使電流輸出基本恒定，且系統(tǒng)功耗低，電源效率高[4-5]。

以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的一相電路為例，如圖3所示。Q1，Q2，Q5及Q6為大功率場(chǎng)效應(yīng)管，Q3和Q4為大功率開(kāi)關(guān)晶體管，U12A為差分比較器，U11A為放大器，D3和D4用于放電回路。當(dāng)控制信號(hào)端A為高、C為低時(shí)，晶體管Q3打開(kāi)，Q4關(guān)斷，此時(shí)電流采樣電阻R27上沒(méi)有電壓，比較器U12A輸出高電平，通過(guò)與門打開(kāi)Q6和Q2，形成通過(guò)Q2、電機(jī)線圈、Q3和取樣電阻R27的通路。通路打開(kāi)后，電流迅速上升，采樣電阻R27上的電壓經(jīng)阻容濾波、線性放大電路與給定電壓比較，當(dāng)其大于給定電壓，則U12A輸出低電平，關(guān)斷Q2，此時(shí)通過(guò)電機(jī)繞組、Q3、R27及D4回路放電。當(dāng)電流降到給定值以下，比較器又輸出高電平，回路通電。如此反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制。

該硬件斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路可在較寬的電源電壓范圍內(nèi)正常工作，可適應(yīng)飛行電源系統(tǒng)電池電壓范圍大的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

變推力雙組元推進(jìn)劑流量同步調(diào)節(jié)技術(shù)是變推力發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)。由于變推力發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥流阻與開(kāi)度的特性為非線性，且燃料比氧化劑的流量要小得多，流量控制特性完全不同，在一定混合比范圍下，協(xié)調(diào)控制兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作是一個(gè)難點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用查表法，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各組合件的流阻及調(diào)節(jié)閥流阻性能參數(shù)，計(jì)算各推力點(diǎn)的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。經(jīng)計(jì)算分析，以推力變化100 N為單位，兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整的開(kāi)度均較小，兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)需要?jiǎng)幼鞯牟綌?shù)偏差只有一兩步。先以相同的頻率同時(shí)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，當(dāng)其中一個(gè)閥門動(dòng)作到位，然后單獨(dú)控制另一個(gè)閥門動(dòng)作到位。該控制方法下發(fā)動(dòng)機(jī)混合比變化很小，且100 N推力變化小于該型變推力發(fā)動(dòng)機(jī)總推力的1%，滿足隨機(jī)變推力系統(tǒng)要求，因此以100 N為單位設(shè)置推力與兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度對(duì)應(yīng)表。

隨機(jī)變推力程序模塊流程圖見(jiàn)圖4，程序先判讀串口是否有新指令輸入，若有新指令，3選2判讀，確認(rèn)新的目標(biāo)推力指令；若無(wú)新指令則目標(biāo)推力不變。接著程序判斷目標(biāo)推力與目前推力的大小。

1）若目標(biāo)推力指令等于實(shí)際推力，則不進(jìn)行動(dòng)作。

2）若目標(biāo)推力指令大于實(shí)際推力，進(jìn)行正向查表，讀取實(shí)際推力點(diǎn)到下一推力點(diǎn)的兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥需要?jiǎng)幼鞯牟綌?shù)；然后協(xié)調(diào)控制兩臺(tái)閥門正向動(dòng)作（一步一步地正向控制兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，直到其中一個(gè)調(diào)節(jié)閥到位，再控制另一臺(tái)閥門動(dòng)作）；兩調(diào)節(jié)閥均控制到下一推力點(diǎn)后，將實(shí)際推力加100 N，返回隨機(jī)變推力子程序循環(huán)，重新判斷目標(biāo)推力指令與目前推力的大小。

3）若目標(biāo)推力指令小于實(shí)際推力，則向反向查表，程序流程與正向類似。

該查表控制方法程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小。對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，不同的調(diào)節(jié)閥特性，不同的變推力要求，隨機(jī)推力調(diào)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)器只需在線下載新的推力-閥門開(kāi)度對(duì)應(yīng)表到DSP處理器，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隨機(jī)變推力控制要求。

4 試驗(yàn)

隨機(jī)變推力控制驅(qū)動(dòng)器參加了多次發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)地面冷調(diào)及動(dòng)力系統(tǒng)熱試考核，其工作穩(wěn)定可靠，隨機(jī)推力調(diào)節(jié)響應(yīng)快速，兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥協(xié)調(diào)控制準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)在一定混合比下隨機(jī)變推力工作。

變推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)，推力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)曲線如圖5所示。當(dāng)大推力變化時(shí)，調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整的步數(shù)大，實(shí)際推力線需要一定的控制時(shí)間才達(dá)到目標(biāo)推力線，如圖5左側(cè)的曲線所示。當(dāng)小推力變化時(shí)，調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整的步數(shù)少，實(shí)際推力與目標(biāo)推力線基本重疊，如圖5中間的曲線所示；當(dāng)在推力調(diào)整過(guò)程中，收到新推力指令，立即響應(yīng)該目標(biāo)推力指令，如圖5右側(cè)的曲線所示。該控制驅(qū)動(dòng)器最小推力變化響應(yīng)時(shí)間約為10 ms，最大推力變化響應(yīng)時(shí)間小于1.5 s；

5 結(jié)論

該隨機(jī)推力調(diào)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)器，硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，斬波驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，有利于防止步進(jìn)電機(jī)丟步，對(duì)電源的適應(yīng)性強(qiáng)，軟件控制算法簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)查表模式便于修改及調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了變推力雙組元推進(jìn)劑流量同步調(diào)節(jié)，滿足了變推力發(fā)動(dòng)機(jī)高精度、快響應(yīng)的控制要求。

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