黨 琳,王曉暉,劉 琨

(中國航天科技集團公司第四研究院第四十一研究所，西安 710025)

火箭配電器測試系統(tǒng)設(shè)計

黨 琳,王曉暉,劉 琨

(中國航天科技集團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，對火箭飛行試驗起著至關(guān)重要的作用；配電器測試直接反映其各項功能達(dá)標(biāo)情況，測試方法的優(yōu)劣會影響對配電器性能的評價高低；配電器測試系統(tǒng)以加固計算機為開發(fā)平臺，通過PXI數(shù)據(jù)采集板卡對調(diào)理后的信號進行采集和控制，并在顯示器上顯示測試結(jié)果與數(shù)據(jù)，從而完成配電器的各項功能測試；測試系統(tǒng)原理樣機測試某箭上配電器，比較測試值與設(shè)計值結(jié)果相符，可以得出系統(tǒng)設(shè)計可行、可靠；該測試系統(tǒng)大大改進了以往的測試手段，具有體積小、可靠性高、易于攜帶等優(yōu)點。

火箭；配電器；測試

0 引言

火箭供配電系統(tǒng)是整個火箭的能源基礎(chǔ)，整個供配電系統(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)接收地面測發(fā)控系統(tǒng)指令實現(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。箭上系統(tǒng)中的探測部件、控制部件、執(zhí)行機構(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)的可靠運行和飛行任務(wù)的順利完成。

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

為了優(yōu)化配電器測試方法，達(dá)到測試高效性和便攜性，本文設(shè)計了一種新型配電器測試系統(tǒng)。系統(tǒng)以加固計算機為開發(fā)平臺，通過數(shù)據(jù)采集辦卡對調(diào)理后的信號進行采集和控制，從而完成配電器各項功能的測試。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，并為后續(xù)各項型號任務(wù)的系統(tǒng)構(gòu)建以及測試方法優(yōu)化提供了參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

配電器測試系統(tǒng)需要對配電器內(nèi)部電路各電阻阻值進行測量，實現(xiàn)配電器控制母線、遙測母線和電池的上電檢測，完成配電器轉(zhuǎn)電及電壓檢測，實現(xiàn)火工品點火功能并進行信號檢測及判定[3]。

按照測試設(shè)備功能要求進行合理可行的方案設(shè)計，配電器測試系統(tǒng)主要由計算機、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 配電器測試系統(tǒng)原理框圖

配電器測試系統(tǒng)以加固計算機為主控設(shè)備，作為系統(tǒng)測試的核心實現(xiàn)信號采集與控制。被測配電器通過外部測試電纜與計算機主機相連接，計算機內(nèi)部輔助電源為配電器供電。配電器的被測信號通過測試電纜進入計算機后，經(jīng)過調(diào)理電路進行信號調(diào)理再進入工控機。計算機通過數(shù)據(jù)采集控制卡對調(diào)理后的測試信號進行采集與控制，并在顯示器上顯示測試結(jié)果與數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對配電器各項功能的測試。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集

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

PXI-6723板卡作為信號輸出控制卡，主要提供被測產(chǎn)品所需的輸入信號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24位計數(shù)器/定時器。單通道時采樣速率為每通道800 KS/s，32通道時為每通道45 KS/s。

PXI-6255板卡作為信號輸入采集卡，主要完成被測產(chǎn)品輸出信號的采集。PXI-6255是一款高速M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 信號調(diào)理

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

2.2.1 控制電路

配電器測試系統(tǒng)需要對被測配電器的轉(zhuǎn)電斷電、供電電壓和內(nèi)部電阻進行控制和測量。供電控制包括控制母線和電池給被測配電器供電的轉(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的輸出控制信號作為達(dá)林頓陣列ULN2803的控制輸入，同時為增大驅(qū)動電流，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^達(dá)林頓陣列ULN2803控制繼電器觸點的吸合釋放來完成。

配電器測試系統(tǒng)需要以機械開關(guān)的方式產(chǎn)生點火控制指令和斷電控制指令。該類信號都屬于開關(guān)量信號，仍采用“采集卡PXI-6723的AO輸出控制信號+達(dá)林頓陣列ULN2803+繼電器”的方式來實現(xiàn)，通過繼電器的吸合釋放來完成信號的通斷[4]。電路與電源控制電路原理一致。

2.2.2 電壓采集

配電器測試系統(tǒng)需要對母線電壓檢測信號、轉(zhuǎn)電電壓檢測信號和電池電壓檢測信號進行測試。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)采集信號電壓范圍為0～27 V時，超出了采集卡PXI-6255的采集范圍，因此在進行控制電測量時采用“電阻分壓+運算放大器跟隨”的方式進行1/4分壓后進行采集，最后，在軟件中進行同比例放大還原，達(dá)到真實反映被測輸入電壓的目的[5]。

2.2.3 電壓隔離采集

配電器測試系統(tǒng)需要對近二十個點火信號進行采集。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放進行電壓采集，功率電(30 V)通過電源模塊轉(zhuǎn)換為±15 VH為隔離運放IS0122P前端供電，輔助電源±15 V為隔離運放后端供電，PXI-6255采集卡通過“運放+隔離運放”對功率電進行電壓采集，示意電路圖如下圖4所示。

圖4 電壓隔離采集電路原理圖

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

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，完成采集卡測試采集調(diào)理板的輸出信號；2)連接調(diào)理板和加固計算機外部接口，完成外部信號輸入到調(diào)理板。

外部電纜用于連接計算機和被測產(chǎn)品，完成計算機和被測產(chǎn)品之間信號的傳輸。外部電纜與測試計算機連接端使用兩個J599圓形連接器，另一端為配電器連接器對接端。為了防止計算機端電纜的誤插，外部電纜計算機端選用不同型號的連接器，避免轉(zhuǎn)接電纜連接錯誤。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計時，采用LabVIEW軟件來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的計算、分析、處理和顯示。LabVIEW采用圖形化編程語言，能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)┈崗?fù)雜的語言編程簡化成以菜單提示方式選擇的圖形編程，大大地節(jié)省了程序開發(fā)時間，且其運行速度快，效率高。

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

圖5 配電器測試系統(tǒng)軟件流程示意圖

3.1 供電模塊設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，供電測試、轉(zhuǎn)電測試及斷電測試的軟件流程基本相同，都是通過AO輸出控制信號，然后通過AI進行電壓信號的采集，然后經(jīng)過軟件的分析處理，因此這里以供電模塊為特例進行說明。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，進行判定后顯示在界面上。

圖6 供電控制流程圖

3.2 點火模塊設(shè)計

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

圖7 火工品點火測試流程圖

4 試驗結(jié)果與分析

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

圖8 配電器測試系統(tǒng)測試示意圖

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

通過比較可以看出，配電器測試系統(tǒng)測得的各項數(shù)據(jù)都與配電器設(shè)計值相符，此系統(tǒng)可以為配電器檢測所用，且測量結(jié)果真實、可靠，直觀性強。

5 結(jié)束語

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

[1] 范建英，彈載慣導(dǎo)配電器實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2013,21(11):3023-3025.

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

[3] 李 立.衛(wèi)星供配電測試設(shè)備接口設(shè)計技術(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:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1990.

[5] 蔣煥之,孫 續(xù).電子測量[M].北京;中國計量出版社,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)計方向的研究。

1671-4598(2017)05-0010-04

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

TM933

A