魏京芳，劉 軍，孫海智，胡向龍

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

為提高CZ-5，CZ-6及CZ-7火箭運載能力、實現(xiàn)火箭飛行控制、彈道優(yōu)化，要求液氧煤油發(fā)動機(jī)具有推力和混合比調(diào)節(jié)能力[1-2]。流量調(diào)節(jié)器、燃料節(jié)流閥分別是發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)和混合比調(diào)節(jié)的控制元件，均采用步進(jìn)電機(jī)組件作為傳動機(jī)構(gòu)控制閥門轉(zhuǎn)角[2-4]。

步進(jìn)電機(jī)測控儀是對液氧煤油發(fā)動機(jī)流量調(diào)節(jié)器和燃料節(jié)流閥(以下分別簡稱“調(diào)節(jié)器”、“節(jié)流閥”)步進(jìn)電機(jī)實施調(diào)節(jié)與控制，在發(fā)動機(jī)地面熱試車過程實現(xiàn)推力和混合比調(diào)節(jié)的關(guān)鍵控制設(shè)備。在應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)之前，液氧煤油發(fā)動機(jī)試車均為固定推力和固定混合比狀態(tài)，工況變化和極限工況條件下的工作性能無法有效考核，為實現(xiàn)不同型號發(fā)動機(jī)試車過程的推力和混合比調(diào)節(jié)控制，并兼顧步進(jìn)電機(jī)繞組、角度電位器阻值及絕緣性能測量，研制了基于集成一體化隔離技術(shù)的電機(jī)測控儀，完成從電機(jī)檢測、調(diào)節(jié)組件試驗、發(fā)動機(jī)裝配、熱試車到交付出廠的高精度測量和高可靠控制，提高了工作效率。設(shè)計中需重點解決長電纜、大驅(qū)動力矩下電機(jī)平穩(wěn)控制以及試車同時基下雙路電機(jī)獨立調(diào)節(jié)和角度同步測量。

1 液氧煤油發(fā)動機(jī)流量調(diào)節(jié)控制原理

1.1 流量調(diào)節(jié)控制方案

液氧煤油發(fā)動機(jī)推力和混合比調(diào)節(jié)是分別通過設(shè)置在發(fā)生器燃料路的調(diào)節(jié)器和在推力室燃料主路的節(jié)流閥實現(xiàn)的[3-4]。目前采取的是“電液閥轉(zhuǎn)級+步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)”控制方案，發(fā)動機(jī)進(jìn)入主級工作后，通過控制步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪軸改變調(diào)節(jié)器窗口面積或節(jié)流閥閥芯開度，實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

1.2 步進(jìn)電機(jī)組件結(jié)構(gòu)及工作原理

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖控制信號轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行元件[5]，主要由定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖1所示。目前最常用的是混合式步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電流流過定子繞組時，產(chǎn)生的矢量磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定的角度[8]，所以步進(jìn)電機(jī)工作本質(zhì)是靠勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)合成磁場帶動轉(zhuǎn)子做同步運動[6]。這種步進(jìn)電機(jī)不僅步距小、運行頻率高，而且消耗功率小、出力大[7]。

圖1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of stepper motor structure

調(diào)節(jié)器和節(jié)流閥采用結(jié)構(gòu)相同的電機(jī)組件，由兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)、諧波齒輪傳動減速器、角度電位器、霍爾位置反饋裝置、限位機(jī)構(gòu)以及相關(guān)機(jī)械及連接部件等組成，原理如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)組件工作原理框圖 Fig.2 Schematic diagram of working principle of a stepper motor

控制電路給電機(jī)繞組施加控制驅(qū)動信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)矩傳遞給減速器，減速器輸出軸上將得到較低轉(zhuǎn)速、較大轉(zhuǎn)矩的輸出；同時與減速器同軸安裝的電位器實時指示轉(zhuǎn)軸的運轉(zhuǎn)位置，霍爾傳感器給出電限位信號，以防止輸出軸超范圍工作。

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制原理

電機(jī)測控儀工作時，處理機(jī)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送CP脈沖信號，經(jīng)光電耦合器、環(huán)形分配器、功率放大電路，根據(jù)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換要求按順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通和截止信號，實現(xiàn)繞組電流的控制[6,9]，根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組電流輪流切換，處理機(jī)每發(fā)一個有效脈沖，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個步距角，當(dāng)供給連續(xù)脈沖時，電機(jī)將實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動[5，9-10]。

電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速高低取決于脈沖信號的脈沖數(shù)、方向和控制頻率[11]。測控儀采用8254定時中斷方式實現(xiàn)脈沖信號的變頻和發(fā)送，保證電機(jī)運轉(zhuǎn)實時性和變速控制要求；脈寬調(diào)制式(PWM)斬波恒流細(xì)分驅(qū)動電路使繞組的矩形電流波供電改為階梯形，可提高電機(jī)運轉(zhuǎn)精度和最大起動轉(zhuǎn)矩，有效改善低頻起動的矩頻特性[11-12]。正弦細(xì)分驅(qū)動、PWM斬波控制和升降頻技術(shù)是實現(xiàn)電機(jī)精準(zhǔn)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵，工作原理如圖3所示。電機(jī)工作方式為兩相八拍，額定工作頻率3.2 kHz。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制原理框圖Fig.3 Principle of steppermotor drive control

2 電機(jī)測控儀系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計方案

電機(jī)測控儀采用集成一體化隔離技術(shù)，具備測量、控制、試車多項功能，在完成不同型號發(fā)動機(jī)試車過程控制的同時，兼顧發(fā)動機(jī)生產(chǎn)試驗過程電機(jī)運轉(zhuǎn)控制和性能測試。系統(tǒng)總體分為測量和控制相互隔離的兩部分，包括處理機(jī)系統(tǒng)、功能電路、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源、接口及顯示屏、鍵盤等[13]。測控儀系統(tǒng)組成如圖4所示。

2.1.1 硬件設(shè)計

處理機(jī)系統(tǒng)包含CPU板、A/D板、I/O板、顯示卡等，主要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，完成發(fā)動機(jī)狀態(tài)選擇、電機(jī)測量、運轉(zhuǎn)控制，數(shù)據(jù)處理和顯示；電機(jī)測量部分包括基準(zhǔn)源、通道轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理電路以及電機(jī)限位信號、試車時統(tǒng)信號檢測電路等；控制部分包括兩路電機(jī)驅(qū)動模塊，分別接收I/O板發(fā)送的電機(jī)脈沖CP、方向DIR和脫機(jī)FREE信號并隔離后，經(jīng)脈沖環(huán)形分配、功率放大電路驅(qū)動兩路電機(jī)運轉(zhuǎn)；發(fā)動機(jī)狀態(tài)選擇經(jīng)SPDT開關(guān)、光耦隔離電路通過軟硬件聯(lián)動判讀完成，自動進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動電流的安全切換。

圖4 電機(jī)測控儀系統(tǒng)組成框圖Fig.4 Schematic of the motor measurement and control system

電源、驅(qū)動電路、測量電路及信號檢測電路均采用隔離技術(shù)，實現(xiàn)了測控儀內(nèi)部電路之間，及與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、試車臺的電氣隔離，同時避免大電流信號干擾和信號串?dāng)_，確保電機(jī)測控的精度、穩(wěn)定性和試車工作安全。

2.1.2 軟件設(shè)計

測控儀軟件按功能設(shè)計為測量、控制、參數(shù)設(shè)置和試車4個模塊。電機(jī)測量包括A/D采集、數(shù)據(jù)處理、存儲顯示等；電機(jī)控制包括定時器設(shè)置、電機(jī)變頻中斷服務(wù)程序、電限位信號檢測等；參數(shù)設(shè)置包含試車參數(shù)、電機(jī)角度-阻值對應(yīng)參數(shù)及循環(huán)測試參數(shù)的設(shè)置及校驗；試車模塊包括時統(tǒng)信號判讀、雙路電機(jī)變速控制中斷服務(wù)程序、角度測量中斷服務(wù)程序以及試車時間和角度顯示、數(shù)據(jù)處理等。所有模塊運行前均需判斷發(fā)動機(jī)選擇是否與硬件狀態(tài)一致。測控儀主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程框圖Fig.5 Flow chart of the main program

2.2 設(shè)計實現(xiàn)

2.2.1 電機(jī)測量

電機(jī)測量應(yīng)用于電機(jī)檢測、調(diào)節(jié)組件液流試驗、發(fā)動機(jī)裝配、試車到交付出廠全過程。

2.2.1.1 電機(jī)繞組、電機(jī)角度測量

采用高精度恒流四線制技術(shù)，實現(xiàn)試車遠(yuǎn)距離(150 m)、寬范圍信號的高精度測量，包括電機(jī)繞組(0～4 Ω)和電機(jī)角度(20 Ω～7 kΩ)阻值測量。

恒流四線制測量原理為：測控儀內(nèi)部高精密恒流源產(chǎn)生的電流流經(jīng)被測電阻，電阻上產(chǎn)生的電壓直接進(jìn)入測量放大電路進(jìn)行調(diào)理，避免儀器內(nèi)部線路差異及試車長電纜轉(zhuǎn)接等環(huán)節(jié)帶來的通道間測量誤差。經(jīng)實際檢測，電機(jī)繞組小信號和電機(jī)角度寬范圍信號測量準(zhǔn)確度分別優(yōu)于±0.5%F.S.，±0.2%F.S.。四線制測量原理如圖6所示。

圖6 恒流四線制電阻測量原理圖 Fig.6 Constant current four limiting resistance measurement schematic

電機(jī)繞組恒流源設(shè)計為40 mA，電機(jī)角度恒流源為73 μA，采集得到的電機(jī)角度阻值將通過預(yù)置的參數(shù)換算為電機(jī)絕對位置和運轉(zhuǎn)相對角度。

2.2.1.2 電機(jī)絕緣測量

采用高壓分壓法，實現(xiàn)調(diào)節(jié)器與節(jié)流閥電機(jī)內(nèi)部和電纜各接點間及與殼體的絕緣性能測量，根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)計兩路高壓源，分別由DC 500 V和DC 30 V高壓模塊隔離輸出，保證設(shè)備測量系統(tǒng)安全，同時在電壓輸出端串接有保護(hù)電阻，避免因外界短路造成設(shè)備內(nèi)部電路損壞。

軟件設(shè)計中，利用定時中斷啟動AD采集，中斷頻率10 kHz，采用多點采集、去除奇異點再平均的濾波方式以提高穩(wěn)態(tài)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.2.2 電機(jī)控制

電機(jī)控制應(yīng)用于各工作條件下的電機(jī)動作檢查，實現(xiàn)電機(jī)以任意角度精確調(diào)節(jié)或大范圍循環(huán)運轉(zhuǎn)。由于電機(jī)啟動時要克服慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載，若啟動頻率高于電機(jī)正?？蛰d啟動頻率，轉(zhuǎn)子速度跟不上定子磁場旋轉(zhuǎn)的速度，會產(chǎn)生失步或堵轉(zhuǎn)[14]。為有效解決步進(jìn)電機(jī)快速啟停或頻率突變時易失步、堵轉(zhuǎn)、過沖及低頻振動問題[8]，保證電機(jī)在空載、滿載及試車長距離下的可靠運轉(zhuǎn)，設(shè)計了采用PWM斬波控制的細(xì)分驅(qū)動電路和基于定時器變頻中斷的電機(jī)變速調(diào)節(jié)控制算法。

2.2.2.1 PWM斬波恒流細(xì)分驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制主要通過對電機(jī)勵磁繞組電流的控制，將其近似為N級階梯波，細(xì)分成N個步距角[15]，使電機(jī)內(nèi)部為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而改善電機(jī)運行性能[9，16]；PWM斬波恒流驅(qū)動是通過開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)閉來控制繞組的充放電，實現(xiàn)繞組電流的精確控制[17-18]。測控儀采用了斯達(dá)特公司的成熟驅(qū)動器SH-2H057M，設(shè)置為2細(xì)分，可使減速器后電機(jī)步距角精確到0.003°；通過接收處理機(jī)發(fā)來的脈沖CP、方向DIR以及脫機(jī)FREE信號，即可靈活控制電機(jī)運轉(zhuǎn)和啟停。電機(jī)工作相序為A-AB-B-BA′-A′-A′B′-B′A-A，A、B相電流實測波形如圖7所示。

圖7 電機(jī)兩相八拍工作電流波形Fig.7 Two-phase eight-shot working current waveform

2.2.2.2 電機(jī)變頻中斷控制

電機(jī)變頻控制，是利用系統(tǒng)中斷IRQ2，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行脈沖的頻率設(shè)置和信號發(fā)送。采用多階梯、不等步距控制方法，控制電機(jī)從800 Hz起步，逐步升至3 200 Hz額定頻率，降速段采用了與升速段相同的逆序控制方式。電機(jī)升、降速過程分別經(jīng)過20個頻率段，每個頻率段運行步數(shù)為40步，每一步各包含1拍高、低電平，每發(fā)1拍有效脈沖電機(jī)運轉(zhuǎn)0.003°。其中每段頻率間隔不同，設(shè)定原則是在低頻段變頻間隔大，保證電機(jī)平穩(wěn)起步后的快速調(diào)節(jié)；高頻段逐步縮小間隔頻率，保證電機(jī)高速狀態(tài)平穩(wěn)運行且不失步。電機(jī)運行頻率的階梯變化則通過在中斷服務(wù)程序中改變定時器定時常數(shù)實現(xiàn)，中斷頻率最高6.4 kHz，最低1.6 kHz。

2.2.3 試車控制

試車程序基于“0 s”時統(tǒng)信號觸發(fā)啟動，按發(fā)動機(jī)推力和混合比時序變化要求，完成調(diào)節(jié)器和節(jié)流閥雙路電機(jī)實時獨立調(diào)節(jié)和角度同步測量。

2.2.3.1 雙路電機(jī)同時基變速控制

與單電機(jī)運轉(zhuǎn)控制要求不同，試車過程電機(jī)控制策略有所變化：

1)根據(jù)所選擇發(fā)動機(jī)型號，自動匹配電機(jī)起始頻率、額定頻率及運行頻率段，在同時基下按序執(zhí)行雙路電機(jī)的升速、降速及高速平穩(wěn)段的運行控制；

2)電機(jī)運行過程定時器定時頻率提前設(shè)定不變，通過在中斷服務(wù)程序中按序改變步進(jìn)脈沖數(shù)實現(xiàn)升降速各階梯段運行頻率的變化，每一脈沖組對應(yīng)電機(jī)運行的一個頻率點，共經(jīng)歷9個頻率段，每個頻率段連續(xù)運行96步，可保證電機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、避免失步；

3)升降速段每一步脈沖單元中1拍為低電平，其余為不同拍數(shù)的高電平，以確定電機(jī)運行頻率。如發(fā)送1拍低電平、連續(xù)3拍高電平，可保證3.2 kHz的最高運行頻率；發(fā)送1拍低電平、14拍高電平，可確定915 Hz的最低起動頻率。采用這種發(fā)送方式，試車中斷頻率最高12.8 kHz。

2.2.3.2 角度同步采集

與電機(jī)穩(wěn)態(tài)信號測量不同，試車全程以不小于5點/s的采集速率同時完成兩臺電機(jī)角度的實時測量，但角度阻值的實時采集任務(wù)不能影響、打斷電機(jī)控制任務(wù)，為此采用多級中斷嵌套設(shè)計方法，根據(jù)任務(wù)設(shè)置中斷優(yōu)先級，雙路電機(jī)試車中斷程序為最高優(yōu)先級IRQ2，角度采集中斷設(shè)為低優(yōu)先級IRQ8，并將其嵌套于12.8 kHz定時中斷IRQ2中，在不影響控制脈沖發(fā)送、不增加系統(tǒng)復(fù)雜度情況下利用了處理器18.2 Hz系統(tǒng)時鐘，來同步完成2臺電機(jī)角度阻值測量。試車每臺電機(jī)角度阻值的實際采集點數(shù)約9點/s，滿足系統(tǒng)要求。

3 試驗驗證

3.1 電機(jī)驅(qū)動控制性能測試

電機(jī)加載30 N·m負(fù)載力矩，對電機(jī)運轉(zhuǎn)過程CP脈沖信號和A、B相電流同時進(jìn)行監(jiān)測，實測波形如圖8所示，電機(jī)電流峰值3.6 A，滿足要求。

對測控儀控制脈沖輸出頻率、時統(tǒng)信號接收延時等指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 電機(jī)測控儀控制性能測試

對電機(jī)組件在150 m長電纜下的空載、30 N·m帶載試驗表明：PWM斬波驅(qū)動細(xì)分技術(shù)實現(xiàn)了電機(jī)相電流的精確控制；多階梯、不等步距變頻控制方法確保了電機(jī)快速啟停和大驅(qū)動力矩下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性能，頻率控制偏差不大于±2 Hz，最小控制角度不大于0.25°，試車時統(tǒng)信號接收延遲時間小于100 μs，滿足要求。

3.2 試車控制

電機(jī)測控儀分別對1 200 kN和180 kN液氧煤油發(fā)動機(jī)實施了推力和混合比調(diào)節(jié)控制，試車過程調(diào)節(jié)器、節(jié)流閥實際運轉(zhuǎn)角度、運行時間滿足試車任務(wù)要求，角度控制精度小于±0.25°。

其中1 600 s時長的試車，對控制的實時性、安全性和測量數(shù)據(jù)有效性、軟件可靠性的考核最為嚴(yán)酷，需要提前進(jìn)行試車工況測試驗證。1 600 s同時基下推力和混合比雙調(diào)節(jié)、多級變工況模擬試車要求如表2和表3所示，其中流量調(diào)節(jié)器和燃料節(jié)流閥的初始角度分別為160°，170°。圖9為測試過程以9.1點/s采集的雙路電機(jī)角度變化曲線，與時序設(shè)置一致，角度調(diào)節(jié)精度滿足要求。

表2 1 600 s模擬試車流量調(diào)節(jié)器控制要求

Tab.2 Control requirements of flow regulators in 1 600 s simulated test

調(diào)節(jié)工況調(diào)節(jié)時間/s運轉(zhuǎn)角度/(°)工況150110工況215080工況335060工況4550160工況51 000100工況61 30070工況71 500160

表3 1 600 s模擬試車燃料節(jié)流閥控制要求

Tab.3 Control requirements of fuel throttle valve in 1 600 s simulated test

調(diào)節(jié)工況調(diào)節(jié)時間/s運轉(zhuǎn)角度/(°)工況150140工況225090工況3600190工況41 000100工況51 30090工況61 400120工況71 500170

圖9 180 kN液氧煤油發(fā)動機(jī)1 600 s試車工況調(diào)節(jié)曲線 Fig.9 Regulating curve of working condition of 180 kN LOX engine during hot test of 1 600 s

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種液氧煤油發(fā)動機(jī)步進(jìn)電機(jī)測控儀，并投入應(yīng)用，滿足了發(fā)動機(jī)裝配及試車的電機(jī)測控要求，包括：

1)采用定時器變頻中斷、PWM斬波細(xì)分和多階梯不等步距變速控制技術(shù)實現(xiàn)電機(jī)快速啟停、變速調(diào)節(jié)和運動控制，中斷頻率可達(dá)6.4 kHz、角度控制精度小于±0.25°。

2)同時基變速控制和同步測量技術(shù)，實現(xiàn)試車雙路電機(jī)實時獨立調(diào)節(jié)和對不同發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)速率的自適應(yīng)，定時中斷頻率最高12.8 kHz，電機(jī)控制頻率偏差小于±2 Hz。

3)采用多級中斷嵌套設(shè)計，在最小占用處理機(jī)系統(tǒng)資源下實現(xiàn)雙路電機(jī)控制過程的角度同步采集，采集速率約9點/s。