熱電池地面模擬平臺的研制

李　強,屠子美(.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海0040; .上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海009)

熱電池地面模擬平臺的研制

李強1,屠子美2
(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海200240; 2.上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

摘要:針對導(dǎo)彈控制艙研制和試驗的需要,設(shè)計了一套熱電池地面模擬平臺。該系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù),使用PX I平臺,采用LabVIEW軟件設(shè)計,能夠監(jiān)測和記錄熱電池點火放電時的電壓電流曲線,并能夠提供瞬態(tài)高輸出功率,以模擬熱電池的真實點火情況。

關(guān)鍵詞:虛擬儀器;PXI;熱電池;LabVIEW;地面模擬

0　引言

熱電池是采用一種在常溫下為非導(dǎo)電固體無機電解質(zhì),在一定熱量作用下使固體電解質(zhì)鹽熔化、電池激活放電的固體電池。熱電池具有大功率放電、高比能量、高比功率、使用環(huán)境溫度寬、儲存時間長、激活迅速可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等特點,主要用于炮彈、導(dǎo)彈、火箭、炸彈、干擾機及魚雷等軍工產(chǎn)品的系列電源中[1-2]。近年來,隨著保溫技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展,熱電池逐步成為近程、中程導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的主要電源和舵機電源。

在某型號導(dǎo)彈控制艙的研制和試驗過程中,需要熱電池點火放電。熱電池是一次性使用的貯備電池,使用成本非常高[3]。因此,設(shè)計一種能模擬熱電池點火放電的設(shè)備平臺具有重要意義。

本項目研制的熱電池地面模擬平臺主要用于對熱電池點火放電時的電流、電壓曲線進行監(jiān)測和記錄,并能夠提供瞬態(tài)高輸出功率,以模擬熱電池的真實點火情況。

1　總體設(shè)計

熱電池地面模擬平臺基于虛擬儀器技術(shù)[4],使用模塊化擴展的PXI平臺進行開發(fā),以保證信號測試和控制的準(zhǔn)確性與精確性。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括測試設(shè)備、測試適配器等,通過測試適配器的對外接口與被測對象相互連接。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of system

測試設(shè)備主要包括PXI平臺和大功率電源。PXI平臺由PXI機箱、PXI控制器、模擬信號采集模塊、模擬信號輸出模塊等部分組成,主要負(fù)責(zé)熱電池點火放電時電流、電壓信號的采集記錄和控制大功率電源以模擬熱電池真實點火情況。

測試適配器負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)、外部的信號調(diào)理及信號互聯(lián)。系統(tǒng)對外接口主要是兩個航空接插件。當(dāng)系統(tǒng)用于監(jiān)測和記錄熱電池點火放電時電壓、電流曲線的功能時,一個接插件使用專用電纜連接熱電池,另一個接插件使用專用電纜連接控制艙;當(dāng)系統(tǒng)用于模擬熱電池真實點火情況的功能時,一個接插件使用專用電纜連接大功率電源,另一個接插件使用專用電纜連接控制艙。

試驗時,系統(tǒng)首先對各型號熱電池點火放電時的電流、電壓曲線進行監(jiān)測和記錄,并進行分析和數(shù)據(jù)處理,提取有效的試驗曲線。后續(xù)在控制艙的研制及試驗過程中,就可以使用這些曲線去模擬熱電池的點火情況而不需要使用真實的熱電池。

2　硬件設(shè)計

2.1PXI平臺

本系統(tǒng)PXI平臺基于NI的高帶寬PXI機箱和高性能PXI控制器組建。

PXI機箱選用NIPXIe-1071,它具有3個混合插槽,在0～50?C的溫度下,總功率達230W,每插槽為高達1 GB/s的專用帶寬和3 GB/s的系統(tǒng)帶寬,質(zhì)量只有5.94 kg。緊湊而輕巧的組成結(jié)構(gòu)非常適合將安裝的封裝縮減至最小。每個插槽都接受PXI Express模塊或可兼容標(biāo)準(zhǔn)PXI混合總線的模塊,滿足系統(tǒng)高性能測試測量和可擴展化的需求。

PXI控制器選用NIPXIe-8108,它是基于IntelCore2DuoT9400的高性能嵌入式控制器,可用于PXIExpress和CompactPCIExpress系統(tǒng),配有2.53GHz雙核處理器、800MHz DDR2內(nèi)存和6MB 的L2超高速緩存,具有10/100/1000BASE-TX以太網(wǎng),ExpressCard/34,4組高速USB、GPIB、串口,及其他I/O接口。雙核處理器是NILabVIEW軟件等多線程應(yīng)用程序的理想選擇,它可使每個應(yīng)用程序?qū)⑷蝿?wù)分配至多個線程。雙核處理器可同時執(zhí)行兩條線程的任務(wù),滿足系統(tǒng)軟件多線程高效執(zhí)行的需求。

2.2電壓、電流的采集及模擬信號采集模塊

電壓信號的采集直接使用模擬信號采集模塊配合前置電壓擴展接線盒來實現(xiàn)。電流信號的采集使用電流傳感器配合模擬信號采集模塊來實現(xiàn),通過電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為10 V以內(nèi)的電壓信號,通過模擬信號采集模塊的同步電壓采集通道來采集信號。

模擬信號采集模塊選用NIPXIe-4300。該模塊具有8路同步電壓采集通道,每個通道都配有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),以實現(xiàn)每通道250 kS/s(2.5×105樣品/s)的同步采樣,該模塊包含的300 V rms(有效值為300 V)通道間CAT II隔離和3300 Vrms通道-地面5 s耐壓,可保護用戶和設(shè)備免受危險電壓的傷害。通過TB-4300B前置接線盒,可使輸入電壓擴展至最高300 V,滿足系統(tǒng)電壓信號采集的需求。

電流傳感器采用LEM HAS100-S型號。該傳感器基于開環(huán)霍爾效應(yīng)原理,采用±15 V供電,支持100 A內(nèi)的電流測量,輸出信號為0～4 V,配合模擬信號采集模塊滿足系統(tǒng)的電流信號測量需求。

2.3電源控制及模擬信號輸出模塊

熱電池點火曲線的模擬功能是通過模擬信號輸出模塊,利用模擬輸出信號控制大功率電源進行直流和曲線輸出。

模擬信號輸出模塊選用NIPXI-6733。每條模擬輸出通道支持±10 V輸出,速度達1MS/s(1×106樣品/s),擁有16位分辨率以及數(shù)字觸發(fā)。利用該模塊,支持用戶使用自定義的點火曲線或真實采集的電壓電流曲線進行熱電池點火模擬,實現(xiàn)諸如階梯爬坡等功能。

2.4大功率電源模塊

大功率電源模塊主要負(fù)責(zé)功率輸出,配合模擬信號輸出模塊模擬熱電池的點火。

該模塊選用AMETEK公司的Sorenson SGA 10 kW 3U機架式可編程電源。SG系列的核心是一個5 kW模塊式電源。根據(jù)輸出電壓的不同,1～6個模塊可以配置在單個機箱內(nèi)來組合提供5～30 kW的功率。該電源輸出電壓高達100 V,輸出電流高達100 A,輸出交流紋波電壓V p-p≤150mV,具有過壓過流保護功能。該電源支持GPIB控制功能,也可以使用0～5 V或0～10 V的模擬電壓信號進行控制。本系統(tǒng)對電源輸出曲線的實時性要求高,至少需要達到0.3 s內(nèi)60 V的變化,輸出波形時間要求長,至少達到120 s的連續(xù)曲線輸出。受限于軟件定時和連續(xù)調(diào)用GPIB讀寫速度的影響,系統(tǒng)采用模擬信號控制方式來生成工作曲線。使用的模擬信號輸出模塊支持硬件定時,高速的更新率保證了模擬信號曲線穩(wěn)定連續(xù)的輸出,同時控制電源生成的波形也滿足了系統(tǒng)需求。

3　軟件設(shè)計

3.1軟件平臺

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW軟件平臺和LabVIEW報告生成工具模塊進行開發(fā),運行環(huán)境為Windows XP或更高版本操作系統(tǒng)。LabVIEW是高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境,結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言的優(yōu)勢[5]。用于M icrosoftOffice的LabVIEW報告生成工具包是一個靈活易用的VI庫,可通過LabVIEW編程創(chuàng)建和修改M icrosoftWord和Excel報告。

圖2　軟件架構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of software

3.2軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用基于隊列的動態(tài)多功能生產(chǎn)者消費者架構(gòu)[6],由用戶管理、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、模擬仿真、系統(tǒng)自檢及數(shù)據(jù)管理等模塊組成,數(shù)據(jù)采集、模擬仿真等模塊作為單獨的線程執(zhí)行。軟件架構(gòu)如圖2所示。

用戶管理模塊包括用戶登錄和用戶賬戶、密碼和權(quán)限等信息的管理,完成系統(tǒng)登錄及用戶管理功能。系統(tǒng)配置主要配置系統(tǒng)參數(shù),包括采樣率、電源控制模式、電流過流值等。配置完成后,可以將當(dāng)前配置信息保存為文件形式,也可以選擇保存的歷史配置文件,將其配置參數(shù)調(diào)入本程序中。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集并保存電壓、電流信號數(shù)據(jù),并顯示實時采集數(shù)據(jù)的當(dāng)前值等。采集的電壓、電流信號分別在波形圖表中顯示,并同時顯示當(dāng)前采集到的信號實時值。模擬仿真模塊控制電源輸出直流/波形電壓信號,并可進行信號顯示、電流限流、過流報警等相關(guān)操作。

系統(tǒng)自檢模塊用于對板卡設(shè)備進行自檢,自檢錯誤生成故障報告、查看歷史故障記錄信息等文件。數(shù)據(jù)管理模塊用于回放采集的電壓、電流信號數(shù)據(jù),并可將數(shù)據(jù)波形打印、保存。

3.3軟件操作

軟件啟動后,首先進入用戶登錄界面,輸入正確的用戶名和密碼方可進入操作主界面。進入主界面后,可以選擇系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、模擬仿真、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)自檢等功能,選擇后進入相應(yīng)功能的操作界面。軟件具有良好的人機對話界面,采用基于隊列的動態(tài)多功能生產(chǎn)者、消費者架構(gòu)及多線程處理,故人機界面操作性強、響應(yīng)快。軟件運行流程如圖3所示。

圖3　軟件流程圖Fig.3　Flow chartof software

3.4實驗曲線

部分實驗曲線如圖4所示。其中,電源控制輸入電壓曲線是需要模擬的一組原始曲線,電源輸出電壓曲線是實際輸出曲線,通過對比,兩者保證一致。

4　結(jié)語

該熱電池地面模擬平臺采用PXI平臺,基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計,能夠采集熱電池放電時的各種信號,并能夠模擬熱電池放電狀態(tài),同時具有測試數(shù)據(jù)的分析管理和報告自動生成功能,為控制艙的研制和試驗提供了良好的模擬仿真環(huán)境。

另外,系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),開放程度高、擴展性強、易拆卸,方便后續(xù)的維護和升級,在實際使用中運行良好,仿真輸出與真實點火情況相符。

參考文獻:

[1]王傳東.熱電池發(fā)展綜述[J].電源技術(shù),2013,37(11): 2077-2079.

[2]蘭偉,宋學(xué)兵,劉效疆.熱電池?zé)崮M研究[J].電源技術(shù), 2012,36(1):88-90.

[3]劉正國,劉唯,鮑俊.導(dǎo)彈熱電池參數(shù)自動化測控系統(tǒng)[J].自動化儀表,2005,26(10):51-53.

[4]賈惠芹.虛擬儀器設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2012.

[5]BISHOPRH.LabVIEW 8實用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[6]BLUMEPA.The LabVIEW stylebook[M].UpperSaddle River:Prentice Hall,2007.

中圖分類號:TP336

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-4543(2015)01-0056-04

收稿日期:2014-11-23

通訊作者:屠子美(1989–),女,浙江上虞人,碩士,主要研究方向為圖像處理。電子郵箱zmtu@sspu.edu.cn。

Developmentof Hot-Battery Ground Simulation Platform

LIQiang1,TU Zi-mei2
(1.Schoolof Electronic Information&Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,P.R.China; 2.Schoolof IntelligentManufacturing&ControlEngineering,ShanghaiSecond Polytechnic University, Shanghai201209,P.R.China)

Abstract:According to the need of developmentand testofmissile control cabin,hot-battery ground simulation platform isdesigned. Based on virtual instrumentation technology,PXIplatform and LabVIEW software,the system canmonitorand record the currentand voltage curve during ignition and discharging of hot-battery,and can provide transient high output power and simulate real ignition conditionsof hot-battery.

Keywords:virtual instrumentation;PXI;hot-battery;LabVIEW;ground simulation