黨 琳,王曉暉,劉 琨

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十一研究所，西安 710025)

火箭配電器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨 琳,王曉暉,劉 琨

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十一研究所，西安 710025)

火箭配電器作為箭上電氣系統(tǒng)的重要部件，對(duì)火箭飛行試驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用；配電器測(cè)試直接反映其各項(xiàng)功能達(dá)標(biāo)情況，測(cè)試方法的優(yōu)劣會(huì)影響對(duì)配電器性能的評(píng)價(jià)高低；配電器測(cè)試系統(tǒng)以加固計(jì)算機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)PXI數(shù)據(jù)采集板卡對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采集和控制，并在顯示器上顯示測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)，從而完成配電器的各項(xiàng)功能測(cè)試；測(cè)試系統(tǒng)原理樣機(jī)測(cè)試某箭上配電器，比較測(cè)試值與設(shè)計(jì)值結(jié)果相符，可以得出系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行、可靠；該測(cè)試系統(tǒng)大大改進(jìn)了以往的測(cè)試手段，具有體積小、可靠性高、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

火箭；配電器；測(cè)試

0 引言

火箭供配電系統(tǒng)是整個(gè)火箭的能源基礎(chǔ)，整個(gè)供配電系統(tǒng)主要包括電池、電纜網(wǎng)和配電器三部分。配電器是供配電系統(tǒng)中的重要部分，負(fù)責(zé)接收地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)指令實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)電、上電等，并將參數(shù)傳輸?shù)降孛嫱瓿蓞?shù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。箭上系統(tǒng)中的探測(cè)部件、控制部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等大部分為電氣化設(shè)備，其穩(wěn)定、可靠的正常工作都需要有高精度、高穩(wěn)定性的配電器供電，能有效地提高采集與檢測(cè)系統(tǒng)的供電能力，從而確保配電器更好的工作[1]。因此，配電器是否正常工作直接決定了火箭供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和飛行任務(wù)的順利完成。

供配電測(cè)試設(shè)備是火箭地面總體測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，它通過(guò)測(cè)試電纜對(duì)配電器進(jìn)行供電檢測(cè)、限流電阻檢測(cè)、轉(zhuǎn)電控制、斷電控制和火工品是否正常點(diǎn)火的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電器各項(xiàng)功能和性能的考核。以往的配電器測(cè)試設(shè)備功能單一且體積較大，不利于外場(chǎng)試驗(yàn)排故時(shí)對(duì)配電器的排查檢測(cè)[2]。

為了優(yōu)化配電器測(cè)試方法，達(dá)到測(cè)試高效性和便攜性，本文設(shè)計(jì)了一種新型配電器測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)以加固計(jì)算機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集辦卡對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采集和控制，從而完成配電器各項(xiàng)功能的測(cè)試。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可靠性高及攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，并為后續(xù)各項(xiàng)型號(hào)任務(wù)的系統(tǒng)構(gòu)建以及測(cè)試方法優(yōu)化提供了參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

配電器測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)配電器內(nèi)部電路各電阻阻值進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)配電器控制母線、遙測(cè)母線和電池的上電檢測(cè)，完成配電器轉(zhuǎn)電及電壓檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)火工品點(diǎn)火功能并進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)及判定[3]。

按照測(cè)試設(shè)備功能要求進(jìn)行合理可行的方案設(shè)計(jì)，配電器測(cè)試系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集控制卡、調(diào)理板硬件電路、面板接口以及內(nèi)外部電纜組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 配電器測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

配電器測(cè)試系統(tǒng)以加固計(jì)算機(jī)為主控設(shè)備，作為系統(tǒng)測(cè)試的核心實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與控制。被測(cè)配電器通過(guò)外部測(cè)試電纜與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連接，計(jì)算機(jī)內(nèi)部輔助電源為配電器供電。配電器的被測(cè)信號(hào)通過(guò)測(cè)試電纜進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理再進(jìn)入工控機(jī)。計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制卡對(duì)調(diào)理后的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行采集與控制，并在顯示器上顯示測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電器各項(xiàng)功能的測(cè)試。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

配電器測(cè)試系統(tǒng)選用2種PXI板卡，型號(hào)分別為NI公司的PXI-6723和PXI-6255。

PXI-6723板卡作為信號(hào)輸出控制卡，主要提供被測(cè)產(chǎn)品所需的輸入信號(hào)以及控制繼電器的吸合釋放。PXI-6723板卡提供了32路模擬輸出通道，每條通道均有最高輸出速度45 MS/s、13位分辨率以及數(shù)字觸發(fā)。除模擬輸出外，該板卡還有8條數(shù)字I/O線和2個(gè)24位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。單通道時(shí)采樣速率為每通道800 KS/s，32通道時(shí)為每通道45 KS/s。

PXI-6255板卡作為信號(hào)輸入采集卡，主要完成被測(cè)產(chǎn)品輸出信號(hào)的采集。PXI-6255是一款高速M(fèi)系列多功能DAQ板卡，在高采樣率下也能保持高精度。該板卡采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，80路模擬輸入，2路16位模擬輸出(2.8 MS/s)，24條數(shù)字I/O線，32位計(jì)數(shù)器。采樣率最大為1.25 MS/s，多路采樣率為750 KS/s。

2.2 信號(hào)調(diào)理

調(diào)理板為測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要完成控制信號(hào)的輸出、輸入信號(hào)的變換采集、控制電源供電輸出和電阻測(cè)試等功能。

2.2.1 控制電路

配電器測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)被測(cè)配電器的轉(zhuǎn)電斷電、供電電壓和內(nèi)部電阻進(jìn)行控制和測(cè)量。供電控制包括控制母線和電池給被測(cè)配電器供電的轉(zhuǎn)或斷控制，電路原理如圖2所示。

圖2 電源控制電路原理圖

采集卡PXI-6723的輸出控制信號(hào)作為達(dá)林頓陣列ULN2803的控制輸入，同時(shí)為增大驅(qū)動(dòng)電流，采用上拉5 K電阻到+15 V的方式。繼電器的供電電壓+15 V由輔助電源±15 V供電直接給出，±15 VGND和采集卡PXI-6723共地?？刂乒╇娸敵鐾ㄟ^(guò)達(dá)林頓陣列ULN2803控制繼電器觸點(diǎn)的吸合釋放來(lái)完成。

配電器測(cè)試系統(tǒng)需要以機(jī)械開(kāi)關(guān)的方式產(chǎn)生點(diǎn)火控制指令和斷電控制指令。該類(lèi)信號(hào)都屬于開(kāi)關(guān)量信號(hào)，仍采用“采集卡PXI-6723的AO輸出控制信號(hào)+達(dá)林頓陣列ULN2803+繼電器”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)繼電器的吸合釋放來(lái)完成信號(hào)的通斷[4]。電路與電源控制電路原理一致。

2.2.2 電壓采集

配電器測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)母線電壓檢測(cè)信號(hào)、轉(zhuǎn)電電壓檢測(cè)信號(hào)和電池電壓檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。電路原理圖如圖3所示。

圖3 電壓采集電路原理圖

由于測(cè)試系統(tǒng)中控制電(27 V)與采集卡PXI-6255共地，采集卡PXI-6255的采集范圍為-10～+10 V，當(dāng)采集信號(hào)電壓范圍為0～27 V時(shí)，超出了采集卡PXI-6255的采集范圍，因此在進(jìn)行控制電測(cè)量時(shí)采用“電阻分壓+運(yùn)算放大器跟隨”的方式進(jìn)行1/4分壓后進(jìn)行采集，最后，在軟件中進(jìn)行同比例放大還原，達(dá)到真實(shí)反映被測(cè)輸入電壓的目的[5]。

2.2.3 電壓隔離采集

配電器測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)近二十個(gè)點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行采集。由于系統(tǒng)中功率電(30 V)與采集卡PXI-6255不是共地的，因此需要使用隔離運(yùn)放進(jìn)行電壓采集，功率電(30 V)通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換為±15 VH為隔離運(yùn)放IS0122P前端供電，輔助電源±15 V為隔離運(yùn)放后端供電，PXI-6255采集卡通過(guò)“運(yùn)放+隔離運(yùn)放”對(duì)功率電進(jìn)行電壓采集，示意電路圖如下圖4所示。

圖4 電壓隔離采集電路原理圖

由于該類(lèi)信號(hào)的電壓范圍為0～30 V，超出了采集卡PXI-6255的采集范圍(-10 ～10 V)，因此將輸入信號(hào)按1/4比例進(jìn)行電阻分壓后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后，在軟件中進(jìn)行同比例放大還原，達(dá)到真實(shí)反映被測(cè)輸入電壓的目的。

2.3 轉(zhuǎn)接電纜

轉(zhuǎn)接電纜分為內(nèi)部電纜和外部電纜兩部分。內(nèi)部電纜包括：1)連接調(diào)理板和采集板卡，完成采集卡測(cè)試采集調(diào)理板的輸出信號(hào)；2)連接調(diào)理板和加固計(jì)算機(jī)外部接口，完成外部信號(hào)輸入到調(diào)理板。

外部電纜用于連接計(jì)算機(jī)和被測(cè)產(chǎn)品，完成計(jì)算機(jī)和被測(cè)產(chǎn)品之間信號(hào)的傳輸。外部電纜與測(cè)試計(jì)算機(jī)連接端使用兩個(gè)J599圓形連接器，另一端為配電器連接器對(duì)接端。為了防止計(jì)算機(jī)端電纜的誤插，外部電纜計(jì)算機(jī)端選用不同型號(hào)的連接器，避免轉(zhuǎn)接電纜連接錯(cuò)誤。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用LabVIEW軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、處理和顯示。LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言，能夠?yàn)橛脩籼峁┖?jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)┈崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成以菜單提示方式選擇的圖形編程，大大地節(jié)省了程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，且其運(yùn)行速度快，效率高。

為了便于程序日后的升級(jí)和維護(hù)，程序的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。整個(gè)程序主要分為：主函數(shù)、自檢測(cè)試模塊、功能測(cè)試模塊和報(bào)表輸出模塊。其中功能測(cè)試模塊包括：供電測(cè)試模塊、轉(zhuǎn)電測(cè)試模塊、火工品點(diǎn)火測(cè)試模塊、斷電測(cè)試模塊以及電阻阻值測(cè)試模塊等。其流程圖如圖5所示。

圖5 配電器測(cè)試系統(tǒng)軟件流程示意圖

3.1 供電模塊設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，供電測(cè)試、轉(zhuǎn)電測(cè)試及斷電測(cè)試的軟件流程基本相同，都是通過(guò)AO輸出控制信號(hào)，然后通過(guò)AI進(jìn)行電壓信號(hào)的采集，然后經(jīng)過(guò)軟件的分析處理，因此這里以供電模塊為特例進(jìn)行說(shuō)明。供電模塊的程序流程圖如圖6所示。首先軟件發(fā)送供電控制指令，然后采集相應(yīng)的輸出電壓信號(hào)，進(jìn)行判定后顯示在界面上。

圖6 供電控制流程圖

3.2 點(diǎn)火模塊設(shè)計(jì)

火工品點(diǎn)火測(cè)試程序流程圖如圖7所示。首先向配電器發(fā)送點(diǎn)火測(cè)試脈沖信號(hào)(200 ms)，然后通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)AI采集點(diǎn)火信號(hào)輸出波形，判斷波形脈寬及時(shí)間是否符合要求。

圖7 火工品點(diǎn)火測(cè)試流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的配電器測(cè)試系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定、可靠獲得配電器的各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)，真實(shí)反映配電器性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套原理樣機(jī)，并測(cè)試了某火箭箭上配電器例試機(jī)，測(cè)試示意圖如圖8所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖8 配電器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試示意圖

配電器測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)值測(cè)試值電壓檢測(cè)限流電阻6．7～7．4Ω6．85Ω點(diǎn)火回路限流電阻2．2～3Ω2．5Ω電池電壓檢測(cè)28V28．1V轉(zhuǎn)電電壓檢測(cè)28V28．1V斷電電壓檢測(cè)V母線=0V母線=0火工品點(diǎn)火測(cè)試200ms方波脈沖200ms方波脈沖

通過(guò)比較可以看出，配電器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都與配電器設(shè)計(jì)值相符，此系統(tǒng)可以為配電器檢測(cè)所用，且測(cè)量結(jié)果真實(shí)、可靠，直觀性強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本配電器測(cè)試系統(tǒng)以加固計(jì)算機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)PXI數(shù)據(jù)采集板卡對(duì)調(diào)理后的配電器內(nèi)部相關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集、控制，與輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)比并顯示，從而完成配電器電壓電阻測(cè)試、轉(zhuǎn)電斷電及火工品點(diǎn)火功能的測(cè)試?，F(xiàn)已完成一套原理樣機(jī)的研制，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，解決了傳統(tǒng)配電器測(cè)試方法復(fù)雜、可靠性低、耗時(shí)耗力等弊端。本系統(tǒng)具有測(cè)試功能較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，提高了火箭電氣系統(tǒng)配電器測(cè)試的效率，相較以往的測(cè)量方法有很大改進(jìn)。

[1] 范建英，彈載慣導(dǎo)配電器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(11):3023-3025.

[2] 雷 斌.便攜式電源檢測(cè)儀[J].鐵道通信信號(hào)，2010,46(6):49-50.

[3] 李 立.衛(wèi)星供配電測(cè)試設(shè)備接口設(shè)計(jì)技術(shù)[J].航天器工程,2002(1):66-72.

[4] 沈蘭莉.數(shù)據(jù)采集技術(shù)[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1990.

[5] 蔣煥之,孫 續(xù).電子測(cè)量[M].北京;中國(guó)計(jì)量出版社,2001.

Design of Testing System for Rocket Distributor

Dang Lin, Wang Xiaohui, Liu Kun

(The 41st Institute of the Fourth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation,Xi’an 710025, China)

As an important component of the electrical system on the rocket, the distributor plays an important role in the rocket flight test. The test of the distributor directly reflects the situation of the various functions, and the test method will affect the evaluation of the performance of the distributor. The testing system for distributor is designed which uses reinforced computer as hardware to develop platform. The testing system uses PXI data acquisition board to collect and control the conditioning signal, which test results and data is displayed on the monitor, to complete the functional test of the distributor. The prototype of the testing system is used to test the distribution device of an arrow, which is consistent with the design value. The testing system which has the advantages of small size and high reliability has greatly improved the previous test methods.

rocket; distributor; test

2017-02-08；

2017-03-07。

黨 琳(1986-)，女，陜西西安人，工程師，主要從事導(dǎo)彈火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)05-0010-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.004

TM933

A