基于MOS管的箭載時序控制器設(shè)計與實現(xiàn)

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)、時序控制系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)組成[1]。其中時序控制系統(tǒng)在運載火箭飛行過程中執(zhí)行如各級發(fā)動機(jī)點火、級間分離、整流罩分離、星箭分離等多項時序輸出關(guān)鍵動作，控制對象包括了運載火箭的所有分系統(tǒng)。若火箭的時序控制系統(tǒng)失效，一般將直接造成整個飛行任務(wù)的失敗，甚至危及發(fā)射場和參試人員的安全。

針對新一代運載火箭控制系統(tǒng)架構(gòu)[2-3]及民營商業(yè)運載火箭快響應(yīng)、低成本、高可靠的要求，對集成化、智能化、快速測試的箭載時序控制器的需求越來越緊迫。時序控制器[4-5]作為運載火箭上的控制設(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、氣路的開啟，發(fā)動機(jī)安全保險機(jī)構(gòu)的解除、箭地配電轉(zhuǎn)換、電池激活等關(guān)鍵動作的控制；在運載火箭起飛后，需要發(fā)出時序控制信號，控制火箭上各種火工品工作以完成相應(yīng)時序的動作，控制箭上姿軌控系統(tǒng)的噴管開啟與關(guān)閉。因此，時序控制器的可靠性設(shè)計具有非?，F(xiàn)實的意義。

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

1 時序控制器結(jié)構(gòu)及原理

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

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

圖1 時序控制器功能組成框圖

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

時序控制器的軟件運行在FPGA中，包括自定義高速串行總線接收IP核、時序輸出控制邏輯、時序回采狀態(tài)測試及回路阻值的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，確保了任意一個MOS管出現(xiàn)短路或斷路失效，均不影響時序動作的實現(xiàn)。為了保證火工品的安全，火工品時序輸出串聯(lián)限流電阻；為了抑制電磁閥負(fù)載產(chǎn)生的反向電動勢，電磁閥時序輸出并聯(lián)消反峰電路。

2 時序控制器硬件設(shè)計

2.1 時序輸出設(shè)計

時序控制器輸出電路包括FPGA、驅(qū)動電路、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。時序輸出電路框圖見圖2。

圖2 時序輸出電路圖

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

圖2中Kn開關(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開關(guān)電路的MOS管均采用冗余設(shè)計，每路輸出使用4只MOS管進(jìn)行串并聯(lián)設(shè)計，電流由并聯(lián)2個MOS管分擔(dān)，在大電流流過時可以降低總發(fā)熱量。

采用本設(shè)計基于MOS管方案的優(yōu)點在于：采用的MOS管體積很小，但流過的電流很大，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，流過的大電流基本不會發(fā)熱，降低了對產(chǎn)品散熱設(shè)計的工作量；MOS管開關(guān)動作速度快，反映靈敏，沒有敏感方向，安裝方便，降低了布局布線的設(shè)計難度；驅(qū)動MOS管電路設(shè)計簡單，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)計簡單可靠。

2.2 電磁閥節(jié)能設(shè)計

對于電磁閥需要長時間接通控制的特殊使用，設(shè)計了一種節(jié)能驅(qū)動控制的方案，控制框圖見圖3。文獻(xiàn)[6]提出了一種電磁閥保持電流的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計研究，本方案基于智能控制思想，采用一種PWM控制的節(jié)能驅(qū)動電路方案。

電磁閥節(jié)能驅(qū)動電路與普通時序輸出電路類似，包括FPGA、節(jié)能驅(qū)動電路、MOS管，其中FPGA、MOS管選擇與常規(guī)時序輸出電路一致。其設(shè)計難點在于驅(qū)動隔離信號的產(chǎn)生。為了適應(yīng)PWM的控制及非節(jié)能的電平控制，并考慮到信號隔離，節(jié)能驅(qū)動電路使用Broadcom公司的高速光偶HCPL-3180作為隔離驅(qū)動芯片，配合TI的隔離電源 DCP010515產(chǎn)生隔離信號，控制MOS開關(guān)通斷。節(jié)能控制電路見圖3。HCPL-3180作為MOS管的驅(qū)動芯片，具有高速、驅(qū)動電流大的特點，可同時適應(yīng)高低電平及PWM控制信號。隔離電源DCP010515用于給驅(qū)動電路提供+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)動電路

電磁閥節(jié)能驅(qū)動電路的控制方法如下。

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

2)節(jié)能控制：飛控計算機(jī)通過總線發(fā)送節(jié)能控制指令；時序控制器中FPGA接收指令并輸出PWM信號；節(jié)能驅(qū)動電路控制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)時間到達(dá)后； 時序控制器中FPGA接收指令并輸出低電平信號；節(jié)能驅(qū)動電路控制MOS斷開；電磁閥閥門關(guān)閉。

其中FPGA輸出PWM信號是節(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)過試驗表明，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 占空比與時間對應(yīng)關(guān)系

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

2.3 時序測試設(shè)計

2.3.1 時序狀態(tài)回采

時序是否正確輸出，需要有一種簡潔的測試手段。給出一種時序輸出回采方案，來判斷時序狀態(tài)，作為運載火箭地面測試中一個重要的判據(jù)。

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

2.3.2 回路阻值測試

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

圖4 低壓測試電路

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關(guān)，Kc1、Kc2為回路阻值測試開關(guān)，R1、R2為測試限流電阻。+BF取28 V，R1、R2均取50 Ω，為高精度電阻。

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

火工品回路阻值測試的具體實施步驟如下：

采用本方案進(jìn)行火工品回路阻值測試的優(yōu)點在于：低壓測試電路簡潔明了，在原有電路上增加較少的硬件，電路設(shè)計簡單可靠。低壓測試安全可靠，設(shè)計有安全電流保護(hù)電阻，使用低壓+5 V電源測試時不會引爆外接的火工品，即使測試電阻出現(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，該測試方案，可以準(zhǔn)確測試火工品回路阻值。

3 時序控制器軟件設(shè)計

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

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

圖5 時序控制器工作流程

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語言進(jìn)行設(shè)計。

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

安全性設(shè)計按照運載火箭系統(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)計的質(zhì)量，進(jìn)行了開發(fā)方仿真測試和第三方的測試評審。

4 試驗驗證與分析

時序控制器屬于運載火箭上的關(guān)鍵部件，關(guān)系到飛行試驗的成敗，務(wù)必確保萬無一失。因此，產(chǎn)品出廠前均需要完成各種單機(jī)環(huán)境試驗、系統(tǒng)匹配試驗。

4.1 單機(jī)環(huán)境試驗

在單機(jī)環(huán)境試驗中，完成了規(guī)定的環(huán)篩、老煉、高低溫工作、高低溫循環(huán)、鑒定振動等環(huán)境試驗項目。使用自動化測試設(shè)備，模擬火箭發(fā)射的流程，反復(fù)給時序控制器上電并輸出時序控制信號。通過采集記錄設(shè)備存儲數(shù)據(jù)，并對每次的測試結(jié)果進(jìn)行自動判別。

經(jīng)過對產(chǎn)品的上百次測試，結(jié)果表明：時序控制器功能可靠，每次測試都能夠在指令規(guī)定的時序節(jié)點輸出控制信號。

4.2 系統(tǒng)匹配試驗

時序控制器參與了運載火箭電氣系統(tǒng)的綜合試驗和匹配試驗，包括全功率開機(jī)模飛、脫拔模飛、一二級被動安控模飛、極性模飛以及終止發(fā)射流程等。

從各個專業(yè)對天基、地基的數(shù)據(jù)判讀，時序時間可裝定，時序精度為優(yōu)于0.01 ms，時序輸出滿足了控制系統(tǒng)各項試驗要求，為運載火箭型號出廠及飛行試驗奠定良好的基礎(chǔ)。

圖6 時序控制器參與仿真試驗

4.3 系統(tǒng)仿真試驗

時序控制器參與了運載火箭系統(tǒng)仿真試驗。文獻(xiàn)[9-10]提出了時序仿真系統(tǒng)的測試方案，本時序仿真系統(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，可兼顧軟件測試與時序仿真試驗兩大需求，并根據(jù)不同需求將參試設(shè)備進(jìn)行合理化組合。

通過仿真測試表明，由時序控制器發(fā)出的RCS電磁開關(guān)信號與設(shè)計一致。

4.4 飛行試驗

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

5 結(jié)束語

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

經(jīng)過測試驗證，該時序控制器設(shè)計滿足火箭總體要求，經(jīng)過飛行試驗的考核，圓滿完成飛行試驗任務(wù)。時序控制器設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，運行可靠，具有一定的通用性。為后續(xù)采用整體多模冗余體制的時序控制器產(chǎn)品提供了參考，并對運載火箭的系列化產(chǎn)品研制具有重要的指導(dǎo)意義。