鄺 奇，張可一，李長敏

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，西安710100）

發(fā)動機(jī)地面試驗搖擺測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄺 奇，張可一，李長敏

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，西安710100）

某型號液體火箭發(fā)動機(jī)地面試驗時需要進(jìn)行雙向搖擺，本項目設(shè)計了一套測控系統(tǒng)與配套的伺服機(jī)構(gòu)控制器進(jìn)行對接，完成伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動控制、數(shù)字和模擬量參數(shù)測量、搖擺指令文件編制、試驗數(shù)據(jù)分析、能源動力供給等功能。該系統(tǒng)基于1553B總線，使用冗余總線結(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，與伺服機(jī)構(gòu)控制器對接后進(jìn)行地面聯(lián)試和熱試車考驗。結(jié)果證明研制的測控系統(tǒng)各項功能、指標(biāo)滿足試車任務(wù)要求。

發(fā)動機(jī)地面試驗；搖擺測控；1553B總線；伺服機(jī)構(gòu)

0 引言

某型號液體火箭發(fā)動機(jī)地面試驗中，按任務(wù)要求進(jìn)行雙向搖擺。試驗總體單位提供了伺服機(jī)構(gòu)和配套的控制器，試驗系統(tǒng)需設(shè)計測控系統(tǒng)與配套的伺服機(jī)構(gòu)控制器進(jìn)行對接，完成伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動控制、數(shù)字和模擬量參數(shù)測量、搖擺指令文件編制、試驗數(shù)據(jù)分析、能源動力供給等功能。該測控系統(tǒng)基于1553B總線開發(fā)，由于該數(shù)據(jù)總線技術(shù)具有集中控制、分布處理、冗余容錯、實時響應(yīng)等特點，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、艦艇船舶等領(lǐng)域。

1 功能概述

1553B總線為多冗余度總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有雙向傳輸特性，其傳輸速率為1 Mbps，傳輸方式為半雙工，采用曼徹斯特Ⅱ型碼。其主要由3部分組成：總線控制器 (Bus Controller，BC)、遠(yuǎn)程終端 (Remote Terminal，RC)和總線監(jiān)視器(Bus Monitor，BM)。通常情況下這3部分通過一個多路總線接口 (Multiplex Bus Interface，MBI)來完成。發(fā)動機(jī)試驗搖擺測控系統(tǒng)使用AEC1553CPCI板卡作為BC端，將復(fù)雜的飛行姿態(tài)控制指令編織成1553格式數(shù)據(jù)幀通過總線進(jìn)行高速傳輸，伺服機(jī)構(gòu)控制器作為RT端接收控制指令驅(qū)動兩臺舵機(jī)進(jìn)行傳動，從而完成發(fā)動機(jī)姿態(tài)調(diào)整等一系列復(fù)雜動作。搖擺測控系統(tǒng)主要功能如下：

1） 編制搖擺控制指令文件。按照時序分別將兩臺舵機(jī)每一時刻的動作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)置，包括動作模式、起始時刻、完成時刻、擺角幅值、振蕩頻率、循環(huán)次數(shù)等。

2） 發(fā)送搖擺控制指令。將預(yù)設(shè)的指令封裝成1553通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式通過總線進(jìn)行發(fā)送，至指定的伺服機(jī)構(gòu)控制器地址，數(shù)據(jù)傳輸過程速度快、可靠性高，伺服機(jī)構(gòu)控制器解析指令后驅(qū)動舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，完成搖擺動作。

3）緊急狀態(tài)歸零。在試驗過程中如果出現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)異常情況，如異常高頻震蕩、擺角幅值超限時，能夠快速停止伺服機(jī)構(gòu)動作，并將伺服機(jī)構(gòu)回歸零位，保證發(fā)動機(jī)試驗過程不受影響。

4）收發(fā)數(shù)據(jù)循環(huán)冗余校驗（CRC）。每個在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀均包含CRC校驗碼，通過循環(huán)冗余算法確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

5）采集伺服機(jī)構(gòu)遙測參數(shù)。按照《某型號伺服控制3總線通信協(xié)議要求》中約定的數(shù)據(jù)格式讀取伺服機(jī)構(gòu)控制器實時參數(shù)，包括時間、反饋電壓、電流、擺角信號等，并根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)實時繪制曲線，通過遙測參數(shù)可以判斷伺服機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)是否正常。這些參數(shù)均為數(shù)字量。

6）模擬量參數(shù)采集。除了通過1553B總線采集數(shù)字遙測參數(shù)外，伺服機(jī)構(gòu)還有一部分模擬量參數(shù)，如電壓、電流等。用16通道高精度記錄儀實時記錄各伺服機(jī)構(gòu)供電電壓、角位移反饋電壓、油面充氣壓力電信號等模擬量。實時監(jiān)控各參數(shù)，保證發(fā)動機(jī)搖擺系統(tǒng)正常工作。

7）交直流供電。直流供電分為三部分，分別為伺服機(jī)構(gòu)控制器、伺服機(jī)構(gòu)、傳感器提供穩(wěn)定工作電源；交流電源系統(tǒng)主要通過UPS保障交流設(shè)備電力供給，在市電供應(yīng)異常時啟動UPS后備電池供電，確保設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)組成及原理

發(fā)動機(jī)地面試驗雙向搖擺測控系統(tǒng)主要包括搖擺主控系統(tǒng)、模擬參數(shù)測量系統(tǒng)和交直流電源系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。試驗過程中由搖擺主控系統(tǒng)向伺服控制器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，伺服控制器將控制指令解析后驅(qū)動舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作，同時伺服控制器實時采集舵機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。主控系統(tǒng)通過讀取緩存數(shù)據(jù)獲知舵機(jī)的實時工作狀態(tài)，模擬量參數(shù)測量系統(tǒng)完成對所需模擬量的實時監(jiān)測和存儲，28 V/5 A直流電源為伺服控制器供電，28 V/40 A直流電源為舵機(jī)供電，10 V/5 A線性直流電源為角位移傳感器供電，UPS為使用交流電源的主控微機(jī)和模擬參數(shù)測量儀供電。

2.1 硬件設(shè)計

測控系統(tǒng)的硬件部分主要由以下幾部分構(gòu)成：搖擺主控計算機(jī)、1553B通信卡、模擬參數(shù)測量計算機(jī)、多通道記錄儀、電源等，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖1 雙向搖擺測控系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of measurement and control system of two-way swaying system

圖2 測控系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Composition diagram of measurement and control system

主控計算機(jī)主體為工控機(jī)，搭配一塊主機(jī)板、一塊1553B通訊卡、1553B通訊電纜、終端電阻及耦合器、顯示器。1553B冗余通訊板為主控系統(tǒng)的核心，主要通過1553B數(shù)據(jù)總線與伺服機(jī)構(gòu)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，周期性將控制指令發(fā)往控制器指定地址，控制器將指令進(jìn)行解析后驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)動作?？刂浦噶畹慕M成按照1553B總線通信協(xié)議規(guī)定包含一個指令字、一個狀態(tài)字和若干個數(shù)據(jù)字。每種字均由20位數(shù)據(jù)構(gòu)成，每位數(shù)據(jù)包含了不同的功能狀態(tài)。其中指令字包含有五位遠(yuǎn)程終端地址用于指定命令接收方RT地址，收/發(fā)標(biāo)志位用來標(biāo)識該條命令是向遠(yuǎn)程終端發(fā)送數(shù)據(jù)還是從遠(yuǎn)程終端讀取數(shù)據(jù)。五位子地址用于指定遠(yuǎn)程終端內(nèi)部子地址，數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)量用來接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)字個數(shù)，最大可發(fā)送32個數(shù)據(jù)字。數(shù)據(jù)字中主要包含實際在BC控制端和RT遠(yuǎn)程終端之間進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，每個數(shù)據(jù)字可包含16位數(shù)據(jù)。狀態(tài)字主要用于遠(yuǎn)程終端接收完指令后將處理結(jié)果狀態(tài)進(jìn)行反饋，通過狀態(tài)字上不同數(shù)據(jù)位的值可以判斷一條指令是否執(zhí)行成功，若不成功可根據(jù)狀態(tài)字判斷故障原因。

在發(fā)送控制指令的同時，主控計算機(jī)同步采集伺服機(jī)構(gòu)控制器遙測狀態(tài)參數(shù)，伺服機(jī)構(gòu)控制器遙測參數(shù)存儲于控制器指定地址內(nèi)，采用雙緩沖機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，更新頻率為50 Hz。遙測參數(shù)包括控制器時間、舵機(jī)反饋信號、舵機(jī)電流、擺動角度、控制字、制動狀態(tài)、電壓等信息。這些信息反應(yīng)了控制器及兩臺舵機(jī)的工作狀態(tài)，通過實時監(jiān)視遙測參數(shù)，可判斷控制器狀態(tài)是否正常。

搖擺控制指令發(fā)送周期和遙測數(shù)據(jù)讀取周期均為20毫秒，每秒可完成50次數(shù)據(jù)交換。同時1553B總線具備通道冗余功能，正常工作情況下通過數(shù)據(jù)總線通道A進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)A通道出現(xiàn)故障，自動切換到通道B進(jìn)行通信；切換時間小于1毫秒，實現(xiàn)了冗余容錯功能，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

1553B通訊板卡與伺服機(jī)構(gòu)控制器通過耦合器耦合至總線上實現(xiàn)連接。

模擬參數(shù)測量計算機(jī)同多通道記錄儀共同組成模擬參數(shù)采集系統(tǒng)，多通道記錄儀可同時記錄16路模擬參數(shù)，單通道采樣速率達(dá)到20 MS(兆點)/s。分辨率為16 bit，幅值精度0.1%，相位誤差小于0.1°，記錄儀實時采集控制器反饋回的模擬量參數(shù)，自帶液晶顯示屏進(jìn)行顯示，能夠?qū)崟r觀測相關(guān)參數(shù)狀態(tài)，測量監(jiān)視計算機(jī)通過以太網(wǎng)接口同記錄儀相連，記錄數(shù)據(jù)直接儲存到測量監(jiān)視計算機(jī)，通過數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行整理、分析。

直流電源主要包括控制器電源、伺服電機(jī)電源和角位移傳感器電源。控制器電源供電電壓為直流28±0.5 V/5 A，紋波≤20 mV，雙路輸出，形成冗余備份，同時具備電流回采顯示功能。伺服電機(jī)電源兩路輸出分別為兩臺伺服舵機(jī)供電，提供直流28±0.5 V/40 A，紋波≤100 mV。角位移傳感器電源為伺服機(jī)構(gòu)角位移傳感器供電，提供±10±0.1 V/5 A，紋波≤20 mV。交流電源為一臺UPS，為兩臺計算機(jī)和記錄儀供電，防止突然斷電對系統(tǒng)造成影響，在市電故障時后備電池可支持系統(tǒng)設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定工作0.5 h以上。

2.2 軟件設(shè)計

軟件部分包括搖擺控制軟件和模擬參數(shù)采集軟件兩部分，使用VC++語言基于VisualStudio 2008平臺開發(fā)。

2.2.1 搖擺控制軟件

搖擺控制軟件主要包括了指令文件制作、控制指令發(fā)送、遙測參數(shù)采集、波形顯示、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。主控軟件的流程如圖3所示。

圖3 主控軟件流程圖Fig.3 Flow chart of main control software

指令文件制作。根據(jù)試驗任務(wù)要求將搖擺動作分解為基本的正弦或階躍動作，通過指定時間、幅值、頻率、循環(huán)次數(shù)控制伺服舵機(jī)帶動發(fā)動機(jī)完成規(guī)定的畫圓、擺動等動作，整個指令由多個小段的簡單擺動指令組成。

控制指令發(fā)送。加載完指令文件且解析正確后，啟動指令發(fā)送循環(huán)，循環(huán)周期為20 ms，即每20 ms發(fā)送一條控制指令。發(fā)送的控制指令中包含時間信息、幅值信息和CRC校驗碼。

遙測參數(shù)采集。在指令發(fā)送的周期內(nèi)同時進(jìn)行遙測參數(shù)采集，遙測參數(shù)包含控制器和伺服機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)信息，通過實時監(jiān)測確保伺服機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作。

搖擺主控軟件啟動后首先進(jìn)行硬件自檢，檢查1553B板卡工作狀態(tài)是否正常，伺服機(jī)構(gòu)控制器連接通信是否暢通，自檢完成對全部參數(shù)進(jìn)行初始化并繪制程序初始界面。開始搖擺試驗時首先載入預(yù)先設(shè)置的控制指令文件，啟動伺服舵機(jī)，確認(rèn)舵機(jī)保持零位且無異常震蕩。開始搖擺后每20毫秒向控制器發(fā)送一次控制指令，采集控制器的遙測數(shù)據(jù)并實時顯示及曲線繪制。繪制曲線時可根據(jù)波形幅值、頻率等調(diào)整曲線繪制的分辨率，以便觀察到完整的曲線。程序中還提供標(biāo)尺功能，能夠準(zhǔn)確測量出曲線圖中兩個點的X軸和Y軸的軸向距離，試驗完成后存儲全部試驗數(shù)據(jù)，退出程序。

2.2.2 模擬參數(shù)測量軟件

模擬參數(shù)測量軟件具有采集、顯示、存儲、分析、打印等功能。工作時發(fā)送的指令和采集的遙測數(shù)據(jù)均實時刷新，從每臺伺服機(jī)構(gòu)上選擇四個主要參數(shù)進(jìn)行實時曲線繪制，包括分機(jī)輸入電壓指令、分機(jī)角位移反饋電流指令和兩路電信號。從曲線可以準(zhǔn)確判斷數(shù)據(jù)有無異常，是否受到干擾等。每次試驗的數(shù)據(jù)同步存儲在模擬參數(shù)測量計算機(jī)，回放時能夠看到完整的數(shù)據(jù)曲線。通過記錄儀上的專用數(shù)據(jù)管理軟件可顯示單路或多路波形，進(jìn)行波形縮放，調(diào)整時間橫軸及電壓縱軸進(jìn)行波形分析。

3 系統(tǒng)測試

搖擺測控系統(tǒng)研制后聯(lián)合伺服機(jī)構(gòu)舵機(jī)進(jìn)行了模擬測試，測試狀態(tài)同地面試驗狀態(tài)完全一致。使用地面試驗搖擺指令文件進(jìn)行伺服機(jī)構(gòu)搖擺動作，實時監(jiān)測伺服機(jī)構(gòu)遙測數(shù)據(jù)，同時使用記錄儀采集伺服機(jī)構(gòu)反饋的模擬量參數(shù)。表1和表2為聯(lián)合調(diào)試時使用的雙向搖擺舵機(jī)控制指令，表3，表4和圖4為記錄結(jié)果。

調(diào)試結(jié)果證明，多通道記錄儀和采集工控機(jī)實時采集、實時顯示、數(shù)據(jù)存儲、曲線分析等功能均正常，數(shù)據(jù)采集速度和精度完全滿足設(shè)計要求。

表1 舵機(jī)1控制指令Tab.1 Control commands of the 1st actuator

表2 舵機(jī)2控制指令Tab.2 Control commands of the 2nd actuator

表3 反饋參數(shù)測試狀態(tài)Tab.3 State of feedback parameters

表4 記錄儀通道測試結(jié)果Tab.4 Test results of recorder channels

圖4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)波形圖Fig.4 Waveforms of system testing data

通過波形圖及相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，兩臺伺服機(jī)構(gòu)指令信號穩(wěn)定無干擾、動作反饋信號與指令信號完全一致、電流信號平穩(wěn)，無異常振動、異常噪聲等。

4 結(jié)論

搖擺測控系統(tǒng)研制后，進(jìn)行了全部功能和可靠性測試，并經(jīng)過熱試車考驗。試驗數(shù)據(jù)結(jié)果證明，測控系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，功能全面、實用，可靠性高，具有冗余容錯能力，擴(kuò)展性強(qiáng)。對該系統(tǒng)略作改動，可用于其他工業(yè)場合的測量與控制。

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（編輯：王建喜）

Design and implementation of swaying measurement and control system for liquid rocket engine ground test

KUANG Qi,ZHANG Keyi,LI Changmin
（Xi’an Aerospace Propulsion Test Technology Institute,Xi’an 710100,China）

As the liquid rocket engine is required to do a two-way swaying during its ground test,a set of measurement and control system mating with the controller of the servo mechanism is designed in this project to carry out the control of the servo mechanism,measurement of digital and analog parameters,documentation of swaying order,analysis of test data and power supply.The measurement and control system based on the base of 1553B bus and redundant bus can ensure the high reliability of data transformation.It passed the integration test and heat test run after mating with the servo mechanism controller.The results verify that all the functions and indexes of the system can meet the requirement ofthe test.

liquid rocket engine ground test;swaying measurement and control;1553B bus;servo mechanism

V434-34

A

1672-9374(2016)06-0089-06

2016-06-14；

2016-08-13

航天支撐技術(shù)項目（617010429）

鄺奇（1986—），男，碩士，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機(jī)試驗控制技術(shù)