江良偉，季海波

(1.北京星際榮耀空間科技有限公司，北京 100176； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

0 引言

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)一般由導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、時(shí)序控制系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)組成[1]。其中時(shí)序控制系統(tǒng)在運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中執(zhí)行如各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、級(jí)間分離、整流罩分離、星箭分離等多項(xiàng)時(shí)序輸出關(guān)鍵動(dòng)作，控制對(duì)象包括了運(yùn)載火箭的所有分系統(tǒng)。若火箭的時(shí)序控制系統(tǒng)失效，一般將直接造成整個(gè)飛行任務(wù)的失敗，甚至危及發(fā)射場(chǎng)和參試人員的安全。

針對(duì)新一代運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)架構(gòu)[2-3]及民營(yíng)商業(yè)運(yùn)載火箭快響應(yīng)、低成本、高可靠的要求，對(duì)集成化、智能化、快速測(cè)試的箭載時(shí)序控制器的需求越來(lái)越緊迫。時(shí)序控制器[4-5]作為運(yùn)載火箭上的控制設(shè)備，在火箭發(fā)射前，一方面要完成箭上火工品和電磁閥阻值測(cè)試，另一方面，需要完成火箭燃料輸送系統(tǒng)的液路、氣路的開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的解除、箭地配電轉(zhuǎn)換、電池激活等關(guān)鍵動(dòng)作的控制；在運(yùn)載火箭起飛后，需要發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，控制火箭上各種火工品工作以完成相應(yīng)時(shí)序的動(dòng)作，控制箭上姿軌控系統(tǒng)的噴管開(kāi)啟與關(guān)閉。因此，時(shí)序控制器的可靠性設(shè)計(jì)具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

結(jié)合新一代運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)序控制器的新要求，提出了一種基于MOS管的運(yùn)載火箭時(shí)序控制器設(shè)計(jì)技術(shù)，充分利用MOS管功率密度大、體積小的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高可靠和高精度的運(yùn)載火箭時(shí)序控制系統(tǒng)，較好地解決了現(xiàn)有時(shí)序控制系統(tǒng)的不足。

1 時(shí)序控制器結(jié)構(gòu)及原理

傳統(tǒng)時(shí)序控制器一般叫綜合控制器，由獨(dú)立的CPU及外圍電路組成。綜合控制器通過(guò)通用總線，如RS422、RS485等接收飛控計(jì)算機(jī)的控制指令，對(duì)外提供時(shí)序輸出。

本時(shí)序控制器對(duì)原有綜合控制器進(jìn)行簡(jiǎn)化，在保留所有功能性能的同時(shí)，減小了儀器體積、提高了可靠性。其結(jié)構(gòu)由測(cè)控部分和時(shí)序輸出部分組成，前者包括FPGA電路、測(cè)試電路，后者包括驅(qū)動(dòng)電路、基于MOS管的功率輸出電路等。根據(jù)新一代運(yùn)載火箭的要求，其中時(shí)序輸出的被控對(duì)象包括火工品時(shí)序、電磁閥時(shí)序、解保機(jī)構(gòu)時(shí)序等，對(duì)應(yīng)的時(shí)序控制器中時(shí)序輸出電路有所不同。時(shí)序控制器功能框圖如圖1所示。

圖1 時(shí)序控制器功能組成框圖

時(shí)序控制器的工作原理為，通過(guò)自定義高速串行總線接收飛控計(jì)算機(jī)的指令通過(guò)FPGA進(jìn)行譯碼、控制，輸出有效的時(shí)序信號(hào)，然后由驅(qū)動(dòng)電路輸出到MOS管輸入端，再由MOS管輸出有效電平驅(qū)動(dòng)火工品或電磁閥動(dòng)作，完成對(duì)應(yīng)時(shí)序輸出的控制及驅(qū)動(dòng)。在時(shí)序輸出的同時(shí)，可以通過(guò)回采電路進(jìn)行時(shí)序回采，確保了時(shí)序控制器的可靠性。

時(shí)序控制器的軟件運(yùn)行在FPGA中，包括自定義高速串行總線接收IP核、時(shí)序輸出控制邏輯、時(shí)序回采狀態(tài)測(cè)試及回路阻值的AD采樣控制。

為了提高可靠性，功率輸出電路中的MOS管采用串并聯(lián)設(shè)計(jì)，確保了任意一個(gè)MOS管出現(xiàn)短路或斷路失效，均不影響時(shí)序動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。為了保證火工品的安全，火工品時(shí)序輸出串聯(lián)限流電阻；為了抑制電磁閥負(fù)載產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，電磁閥時(shí)序輸出并聯(lián)消反峰電路。

2 時(shí)序控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)序輸出設(shè)計(jì)

時(shí)序控制器輸出電路包括FPGA、驅(qū)動(dòng)電路、MOS管電路。FPGA選用某公司的XXX1000-XX208I芯片，集成了自定義高速串行總線接收端的IP核以及其他邏輯控制等。時(shí)序輸出電路框圖見(jiàn)圖2。

圖2 時(shí)序輸出電路圖

圖2中驅(qū)動(dòng)電路使用LT公司的LT4363作為MOS管驅(qū)動(dòng)控制芯片，該芯片通過(guò)電荷泵的控制形式控制MOS開(kāi)關(guān)通斷。LT4363芯片為輸入浪涌電流控制芯片，實(shí)際使用中將浪涌電流檢測(cè)電阻短路，使電路一直處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)控制欠壓端來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的通斷控制。當(dāng)控制芯片LT4363的欠壓端電壓大于門(mén)檻電壓1.27 V時(shí)，控制芯片正常工作，芯片內(nèi)部電荷泵加壓輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；當(dāng)控制芯片LT4363的欠壓端懸空或電壓小于門(mén)檻電壓1.27 V時(shí)，控制芯片停止工作。

圖2中Kn開(kāi)關(guān)選用某公司的N型MOS管BSC035N10NS5，該MOS管的主要參數(shù)如下：工作節(jié)溫-55～175℃；耐壓100 V；最大工作電流100 A；最大結(jié)電阻3.5 mΩ。Kn開(kāi)關(guān)電路的MOS管均采用冗余設(shè)計(jì)，每路輸出使用4只MOS管進(jìn)行串并聯(lián)設(shè)計(jì)，電流由并聯(lián)2個(gè)MOS管分擔(dān)，在大電流流過(guò)時(shí)可以降低總發(fā)熱量。

采用本設(shè)計(jì)基于MOS管方案的優(yōu)點(diǎn)在于：采用的MOS管體積很小，但流過(guò)的電流很大，在一塊印制板上可以集成幾十路甚至上百路時(shí)序輸出電路，大大減小了電子產(chǎn)品的體積；MOS管內(nèi)阻很小，流過(guò)的大電流基本不會(huì)發(fā)熱，降低了對(duì)產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)的工作量；MOS管開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度快，反映靈敏，沒(méi)有敏感方向，安裝方便，降低了布局布線的設(shè)計(jì)難度；驅(qū)動(dòng)MOS管電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用具有電荷泵功能的集成芯片，在原有電路上不增加太多硬件，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠。

2.2 電磁閥節(jié)能設(shè)計(jì)

對(duì)于電磁閥需要長(zhǎng)時(shí)間接通控制的特殊使用，設(shè)計(jì)了一種節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制的方案，控制框圖見(jiàn)圖3。文獻(xiàn)[6]提出了一種電磁閥保持電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，本方案基于智能控制思想，采用一種PWM控制的節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路方案。

電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路與普通時(shí)序輸出電路類似，包括FPGA、節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路、MOS管，其中FPGA、MOS管選擇與常規(guī)時(shí)序輸出電路一致。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)隔離信號(hào)的產(chǎn)生。為了適應(yīng)PWM的控制及非節(jié)能的電平控制，并考慮到信號(hào)隔離，節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路使用Broadcom公司的高速光偶HCPL-3180作為隔離驅(qū)動(dòng)芯片，配合TI的隔離電源 DCP010515產(chǎn)生隔離信號(hào)，控制MOS開(kāi)關(guān)通斷。節(jié)能控制電路見(jiàn)圖3。HCPL-3180作為MOS管的驅(qū)動(dòng)芯片，具有高速、驅(qū)動(dòng)電流大的特點(diǎn)，可同時(shí)適應(yīng)高低電平及PWM控制信號(hào)。隔離電源DCP010515用于給驅(qū)動(dòng)電路提供+15V的電壓，滿足MOS柵源極控制電壓電流的要求。

圖3 電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路

電磁閥節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路的控制方法如下。

1)非節(jié)能控制：飛控計(jì)算機(jī)通過(guò)自定義高速串行總線發(fā)送非節(jié)能控制指令；時(shí)序控制器中FPGA接收指令并輸出高電平信號(hào)；節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路控制MOS接通；電磁閥閥門(mén)打開(kāi)，電磁閥處于非節(jié)能工作狀態(tài)。

2)節(jié)能控制：飛控計(jì)算機(jī)通過(guò)總線發(fā)送節(jié)能控制指令；時(shí)序控制器中FPGA接收指令并輸出PWM信號(hào)；節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路控制MOS保持接通狀態(tài)；電磁閥處于節(jié)能狀態(tài)。

3)關(guān)閉電磁閥：電磁閥節(jié)能狀態(tài)時(shí)間到達(dá)后； 時(shí)序控制器中FPGA接收指令并輸出低電平信號(hào)；節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路控制MOS斷開(kāi)；電磁閥閥門(mén)關(guān)閉。

其中FPGA輸出PWM信號(hào)是節(jié)能控制方法的關(guān)鍵，為了適應(yīng)不同的電磁閥節(jié)能要求，PWM的頻率、占空比參數(shù)可調(diào)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，電磁閥節(jié)能工作穩(wěn)定可靠，節(jié)能電流與設(shè)定值一致，達(dá)到了節(jié)能的目的。

方案中用到的電磁閥節(jié)能狀態(tài)下，PWM脈沖的周期頻率為30 K，占空比從100%變化到60%，之后穩(wěn)定在60%，時(shí)間關(guān)系如下。電磁閥消耗的電流從非節(jié)能的1.5 A降到節(jié)能的0.6 A。

表1 占空比與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

采用本方案除了MOS的自身優(yōu)點(diǎn)外，通過(guò)FPGA輸出的PWM控制信號(hào)頻率和占空比可變，可以滿足不同電磁閥對(duì)控制電流的要求，使用安全可靠、靈活方便。

2.3 時(shí)序測(cè)試設(shè)計(jì)

2.3.1 時(shí)序狀態(tài)回采

時(shí)序是否正確輸出，需要有一種簡(jiǎn)潔的測(cè)試手段。給出一種時(shí)序輸出回采方案，來(lái)判斷時(shí)序狀態(tài)，作為運(yùn)載火箭地面測(cè)試中一個(gè)重要的判據(jù)。

如圖3所示，時(shí)序輸出狀態(tài)回采，通過(guò)光耦隔離將時(shí)序開(kāi)關(guān)量狀態(tài)反饋給FPGA，再通過(guò)自定義高速串行總線送給飛控計(jì)算機(jī)?；夭呻娐钒ü怦頗CLP_0631和施密特觸發(fā)器 SN74LVC14AD組成，后者用于對(duì)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行整形。由于所選用的光耦為高速光耦，飛控計(jì)算機(jī)不但能判斷時(shí)序輸出的有無(wú)，還能測(cè)試時(shí)序的時(shí)間長(zhǎng)度，精度能達(dá)到0.01 ms。

2.3.2 回路阻值測(cè)試

文獻(xiàn)[7-8]提出了火工品線路電流的計(jì)算方法及高精度火工品控制電路測(cè)試的方案，本方案提出一種火工品回路阻值的低壓測(cè)試技術(shù)?？傮w的電路方案是通過(guò)在時(shí)序輸出電路中增加回路阻值測(cè)試電路，包括+5V1低壓電源和電壓AD測(cè)量電路，來(lái)間接測(cè)出火工品回路的阻值，功能框圖見(jiàn)圖4。

圖4 低壓測(cè)試電路

圖4中，r1、…,rn為火工品，Rx1、…,Rxn為火工品保護(hù)電阻， +BF為火工品電源正端，-BF為火工品電源負(fù)端，K1、…,Kn為相應(yīng)火工品引爆電路控制開(kāi)關(guān)，Kc1、Kc2為回路阻值測(cè)試開(kāi)關(guān)，R1、R2為測(cè)試限流電阻。+BF取28 V，R1、R2均取50 Ω，為高精度電阻。

電壓AD測(cè)量電路采用差分測(cè)量的方式，主要包括差分運(yùn)放、AD轉(zhuǎn)換器和隔離電路。采用差分測(cè)試電路具有測(cè)試精度高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

火工品回路阻值測(cè)試的具體實(shí)施步驟如下：

采用本方案進(jìn)行火工品回路阻值測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于：低壓測(cè)試電路簡(jiǎn)潔明了，在原有電路上增加較少的硬件，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠。低壓測(cè)試安全可靠，設(shè)計(jì)有安全電流保護(hù)電阻，使用低壓+5 V電源測(cè)試時(shí)不會(huì)引爆外接的火工品，即使測(cè)試電阻出現(xiàn)短路情況，安全性仍得以保證，安全性高。電壓測(cè)量電路精度較高，采用差分原理采集采樣電阻上的差分電壓，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，該測(cè)試方案，可以準(zhǔn)確測(cè)試火工品回路阻值。

3 時(shí)序控制器軟件設(shè)計(jì)

時(shí)序控制器解析飛控計(jì)算機(jī)通過(guò)自定義高速串行總線發(fā)送的時(shí)序指令，進(jìn)行相關(guān)時(shí)序的接通與斷開(kāi)，同時(shí)進(jìn)行時(shí)序回采狀態(tài)測(cè)試及回路阻值的AD采樣控制。

時(shí)序控制器的軟件運(yùn)行在FPGA中，包括完成時(shí)鐘輸入、復(fù)位輸入、地址譯碼、總線接收IP核、時(shí)序輸出控制邏輯、時(shí)序回采模塊及回路阻值測(cè)試及電壓電流測(cè)量等功能。結(jié)合時(shí)序控制器硬件電路及在系統(tǒng)中的測(cè)試流程，設(shè)計(jì)FPGA軟件控制框圖如圖5。

圖5 時(shí)序控制器工作流程

軟件編程、綜合及布局布線使用Xilinx公司Vivado2016.4版本，采用基于Verilog語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)按照自頂向下及模塊化的設(shè)計(jì)思路，建立，保持時(shí)間符合接口的要求，外部復(fù)位增加數(shù)字濾波處理，提高了軟件設(shè)計(jì)的可靠性。

安全性設(shè)計(jì)按照運(yùn)載火箭系統(tǒng)大綱、規(guī)范、軟件質(zhì)量保證大綱要求執(zhí)行。為了保證軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量，進(jìn)行了開(kāi)發(fā)方仿真測(cè)試和第三方的測(cè)試評(píng)審。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

時(shí)序控制器屬于運(yùn)載火箭上的關(guān)鍵部件，關(guān)系到飛行試驗(yàn)的成敗，務(wù)必確保萬(wàn)無(wú)一失。因此，產(chǎn)品出廠前均需要完成各種單機(jī)環(huán)境試驗(yàn)、系統(tǒng)匹配試驗(yàn)。

4.1 單機(jī)環(huán)境試驗(yàn)

在單機(jī)環(huán)境試驗(yàn)中，完成了規(guī)定的環(huán)篩、老煉、高低溫工作、高低溫循環(huán)、鑒定振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目。使用自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，模擬火箭發(fā)射的流程，反復(fù)給時(shí)序控制器上電并輸出時(shí)序控制信號(hào)。通過(guò)采集記錄設(shè)備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)每次的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判別。

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品的上百次測(cè)試，結(jié)果表明：時(shí)序控制器功能可靠，每次測(cè)試都能夠在指令規(guī)定的時(shí)序節(jié)點(diǎn)輸出控制信號(hào)。

4.2 系統(tǒng)匹配試驗(yàn)

時(shí)序控制器參與了運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)和匹配試驗(yàn)，包括全功率開(kāi)機(jī)模飛、脫拔模飛、一二級(jí)被動(dòng)安控模飛、極性模飛以及終止發(fā)射流程等。

從各個(gè)專業(yè)對(duì)天基、地基的數(shù)據(jù)判讀，時(shí)序時(shí)間可裝定，時(shí)序精度為優(yōu)于0.01 ms，時(shí)序輸出滿足了控制系統(tǒng)各項(xiàng)試驗(yàn)要求，為運(yùn)載火箭型號(hào)出廠及飛行試驗(yàn)奠定良好的基礎(chǔ)。

圖6 時(shí)序控制器參與仿真試驗(yàn)

4.3 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

時(shí)序控制器參與了運(yùn)載火箭系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。文獻(xiàn)[9-10]提出了時(shí)序仿真系統(tǒng)的測(cè)試方案，本時(shí)序仿真系統(tǒng)以分布式架構(gòu)為基礎(chǔ)，將電氣系統(tǒng)各軟件、硬件產(chǎn)品部署在“軟硬件在回路”的仿真系統(tǒng)里，可兼顧軟件測(cè)試與時(shí)序仿真試驗(yàn)兩大需求，并根據(jù)不同需求將參試設(shè)備進(jìn)行合理化組合。

通過(guò)仿真測(cè)試表明，由時(shí)序控制器發(fā)出的RCS電磁開(kāi)關(guān)信號(hào)與設(shè)計(jì)一致。

4.4 飛行試驗(yàn)

2019年7月25日，時(shí)序控制器參加了某運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心組織首飛，飛行試驗(yàn)取得了圓滿成功。通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)判讀，時(shí)序控制器在全程的飛行過(guò)程中均工作正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于MOS管的時(shí)序控制器主要從高可靠冗余硬件電路設(shè)計(jì)、測(cè)試覆蓋性設(shè)計(jì)等時(shí)序控制器的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)運(yùn)載火箭時(shí)序控制器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了論述。該時(shí)序控制器集時(shí)序輸出、節(jié)能時(shí)序控制、時(shí)序回采及回路阻值測(cè)試功能于一體，具有工作穩(wěn)定、簡(jiǎn)單可靠、功耗低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，極大地節(jié)省了火箭的安裝空間。

經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，該時(shí)序控制器設(shè)計(jì)滿足火箭總體要求，經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)的考核，圓滿完成飛行試驗(yàn)任務(wù)。時(shí)序控制器設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有一定的通用性。為后續(xù)采用整體多模冗余體制的時(shí)序控制器產(chǎn)品提供了參考，并對(duì)運(yùn)載火箭的系列化產(chǎn)品研制具有重要的指導(dǎo)意義。