某機(jī)載特種設(shè)備艙高可靠溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆新峰，金 文，耿 健，王偉偉，蘇 偉

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

某機(jī)載特種設(shè)備懸掛于飛機(jī)外部，在飛機(jī)飛行過(guò)程中需長(zhǎng)時(shí)間暴露在高空寒冷環(huán)境中，艙內(nèi)設(shè)備為對(duì)溫度敏感的精密儀器，若艙內(nèi)溫度超出一定范圍，則會(huì)嚴(yán)重影響艙內(nèi)儀器的正常工作，因此需要研制一套高可靠的溫度控制系統(tǒng)，將艙內(nèi)溫度控制在儀器正常工作范圍內(nèi)。

溫度控制技術(shù)有純硬件控制和軟件控制兩種方式。軟件控制方式采用ARM或DSP芯片作為主控芯片，根據(jù)采集到的溫度值，通過(guò)軟件控溫算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)后端加溫通路的控制[1-4]，對(duì)于需要高精度溫度控制的場(chǎng)景，還可以采用PID算法調(diào)節(jié)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制[5-7]，軟件控制方式優(yōu)點(diǎn)是控制方式靈活[8]，可以實(shí)現(xiàn)高精度，但軟件易受到外界干擾導(dǎo)致軟件跑飛、死機(jī)等造成系統(tǒng)工作故障。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于某機(jī)載特種設(shè)備艙的高可靠溫度控制系統(tǒng)，采用純硬件電路的溫度控制方式，電路簡(jiǎn)單可靠，且采取了多種可靠性設(shè)計(jì)措施，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性，能夠?qū)⑴搩?nèi)溫度穩(wěn)定控制在儀器正常工作范圍內(nèi)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)由溫度傳感器、溫度控制裝置和電加溫元件組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。載機(jī)為溫控系統(tǒng)提供直流100 V供電，電源模塊將100 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓供設(shè)備內(nèi)部供電，100 V電壓作為電加溫元件的加溫電壓，溫控控制模塊通過(guò)控制固態(tài)繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)加溫通路的控制。

由于該機(jī)載特種設(shè)備艙兩端存在熱短路現(xiàn)象，艙內(nèi)空氣溫度分布呈現(xiàn)出中間高、兩端低的特點(diǎn)，鑒于該溫度分布特點(diǎn)，溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沿艙的軸向分3個(gè)區(qū)域進(jìn)行加熱，分別為溫區(qū)1、溫區(qū)2和溫區(qū)3，每個(gè)溫區(qū)安裝了3個(gè)獨(dú)立的溫度傳感器和12片電加溫元件。3個(gè)溫區(qū)分別由3個(gè)獨(dú)立的溫度控制模塊獨(dú)立控制。

溫度控制裝置是本溫控系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)采集溫度傳感器反饋的溫度值，采用一定的溫度控制策略對(duì)電加溫元件的供電通路進(jìn)行控制以及與主控系統(tǒng)通過(guò)1553B接口進(jìn)行狀態(tài)交互。溫度傳感器用于測(cè)量設(shè)備艙內(nèi)的空氣溫度。電加溫元件用于將輸入的電能轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)設(shè)備艙進(jìn)行加溫。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

三個(gè)溫區(qū)的硬件電路設(shè)計(jì)相同，以溫區(qū)1的硬件電路設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。硬件電路如圖2所示。硬件電路由電源模塊、1553B模塊、電壓比較電路、三判二控制電路、加熱控制電路組成。

圖2 硬件電路框圖

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器用于測(cè)量每個(gè)溫區(qū)的空氣溫度，反饋給溫度控制裝置。采用熱敏電阻元件MF501，測(cè)溫范圍為-55～125 ℃。熱敏電阻元件四周由外殼保護(hù)，上方為開放無(wú)遮擋，外殼壁上開有一定數(shù)量的通氣孔，體積小巧，便于安裝。

2.2 電加溫元件

電加溫元件采用薄膜型聚酰亞胺電加溫元件，由蝕刻電熱合金鉑片產(chǎn)生的電阻元件與聚酰亞胺絕緣膜層疊組成三明治結(jié)構(gòu)，具有加熱速度快、使用壽命長(zhǎng)、厚度薄、重量輕等特點(diǎn)，電加溫元件通過(guò)硅橡膠粘接于溫控支架外測(cè)，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)空氣溫度控制。

2.3 電源模塊

電源模塊將輸入的直流100 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電源的隔離和濾波，電源模塊電路如圖3所示。選用EMI和DC/DC電壓輸入范圍為80～120 V，為隔離DC/DC，能夠滿足100 V供電正負(fù)端與設(shè)備內(nèi)部二次電源的地線隔離的要求。

圖3 電源模塊電路框圖

電源模塊輸入前端為了防止輸入端電壓正負(fù)接反，同時(shí)保護(hù)輸入端電源，在EMI濾波器輸入正端串聯(lián)了一對(duì)并聯(lián)的整流二極管V1和V2。同時(shí)在EMI濾波器的輸入端并聯(lián)了1個(gè)瞬態(tài)抑制二極管V3，防止輸入端電壓中高脈沖電壓對(duì)其他元器件的損害，輸入前端電路如圖4所示。

圖4 輸入前端電路

2.4 1553B模塊

1553B模塊采用TI的DSP TMS320F2812作為核心控制芯片[9]，控制1553B協(xié)議芯片B61580實(shí)現(xiàn)RT功能，與主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的采集功能，電路框圖如圖5所示。其中CPLD完成B61580和DSP之間的電平轉(zhuǎn)換、邏輯控制功能，通過(guò)中斷的方式通知DSP對(duì)1553B消息進(jìn)行處理。使用DSP自帶的12位ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)5V電壓、溫度傳感器分壓以及加熱控制電壓的采集，為了避免采集電路對(duì)溫控電路的影響，溫度傳感器分壓以及加熱控制電壓需要經(jīng)過(guò)射隨器阻抗變換后進(jìn)入DSP的ADC采集模塊進(jìn)行采集。

圖5 1553B模塊原理框圖

2.5 電壓比較電路

電壓比較電路由測(cè)溫電路和電壓比較器組成。測(cè)溫電路由電阻組成分壓電路。溫度傳感器的輸出作為控溫閾值，測(cè)溫電路的輸出接到電壓比較器的輸入端，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，比較器輸入低于設(shè)定的控溫閾值下限，比較器輸出高電平，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，比較器輸入高于設(shè)定的控溫閾值上限，比較器輸出低電平。電壓比較電路如圖6所示。

圖6 電壓比較電路

N1為電壓比較器，采用NSC公司集成運(yùn)算放大器LM158，由一個(gè)電阻和比較器接成正反饋滯環(huán)比較器形式。輸出電壓反饋到輸入端，使集成運(yùn)放的輸出在高電位和低電位的情況下，具有不同的門限電壓。

R1～R4為基準(zhǔn)電阻，R5為反饋電阻，均選用精度為0.1%的精密電阻。C1～C6為濾波電容，V1和V2為接口保護(hù)二極管。

溫度傳感器采用MF501型熱敏電阻，阻值隨著溫度的變化而變化，溫度與阻值的關(guān)系可以通過(guò)Steinhart-Har公式精確描述[10]。在確定控溫點(diǎn)后，取定R2、R3、R4值后，可計(jì)算得R1和R5的值。

本溫控系統(tǒng)的溫度控制范圍為10～30 ℃，考慮到溫度過(guò)沖的影響，將高低溫控溫點(diǎn)分別設(shè)置為23 ℃和17 ℃，通過(guò)計(jì)算，23 ℃和17 ℃時(shí)熱敏電阻對(duì)應(yīng)的阻值分別為5.494 5 kΩ和7.281 6 kΩ。電路中橋臂電阻R2、R4選用精密10 K電阻，R3選用精密8 K電阻，R1選用精密電阻1.8 K，反饋電阻R5選用精密82 K電阻。

當(dāng)比較器輸出高時(shí)(升溫過(guò)程)，正、負(fù)端電壓分別為：

(1)

(2)

當(dāng)比較器輸出為低時(shí)(降溫過(guò)程)，正、負(fù)端電壓：

(3)

(4)

式中，V為比較器LM158輸出電壓，約3.5 V。

通過(guò)式(1)～(4)可算出，溫度傳感器阻值為5.494 5 kΩ，即溫度為23 ℃時(shí)(升溫過(guò)程)，比較器正端電壓為2.557 5 V，負(fù)端電壓為2.615 3 V，正端電壓低于負(fù)端，比較器輸出為低，加熱控制電路輸出關(guān)信號(hào)(23 ℃時(shí))；溫度傳感器阻值為7.281 6 kΩ，即溫度為17 ℃時(shí)(降溫過(guò)程)，比較器正端電壓為2.356 3 V，負(fù)端電壓為2.341 7 V，比較器輸出為高，加熱控制電路輸出開信號(hào)(17 ℃時(shí))。即溫度控溫點(diǎn)為17 ℃和23 ℃。

2.6 三判二控制電路

三判二控制電路主要實(shí)現(xiàn)3選2控制功能，電路原理圖如圖7所示。電路選用四二輸入或門54HC32，四二輸入與門54HC08，以及三極管3DK2222AUB(取反，起非門作用)。

圖7 三判二控制電路

由圖7可知：

(5)

由式(5)可知，三路比較器輸出中，任意兩路達(dá)到加熱要求，三判二控制電路輸出低電平，控制后端的加熱控制電路接通，電加溫元件加熱；任意兩路達(dá)到停止加熱要求，三判二控制電路輸出高電平，控制后端的加熱控制電路關(guān)斷，電加溫元件停止加熱。

2.7 加熱控制電路

加熱控制電路如圖8所示，加熱通路的開關(guān)控制由固體繼電器實(shí)現(xiàn)。固體繼電器是具有隔離功能的電子開關(guān)，是由半導(dǎo)體器件和無(wú)源元件組成，利用光電子和微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制電路(輸入端)與負(fù)載電路(輸出端)之間的電耦合和電隔離，無(wú)任何可動(dòng)部件。固體繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有與邏輯電路兼容、開關(guān)速度快、輸出接通電阻穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)外界干擾小、壽命長(zhǎng)(一般可達(dá)108～1012次，電磁繼電器一般為幾十萬(wàn)次)、工作可靠性高等突出的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，固態(tài)繼電器選用JG-42MB，輸出電流20 A，電壓300 V，具有變壓器隔離，耐過(guò)壓及欠壓浪涌功能。

圖8 加熱控制電路

通過(guò)控制三極管的通斷來(lái)控制固態(tài)繼電器，從而控制電加溫元件100 V電壓的通斷。當(dāng)三判二控制電路輸出電壓為高電平時(shí)，三極管輸出低電平，固態(tài)繼電器關(guān)斷，電加溫元件的100 V電壓斷開，停止加溫；當(dāng)三判二控制電路輸出電壓為低電平時(shí)，三極管輸出高電平，固態(tài)繼電器接通，電加溫元件的100 V電壓接通，開始加溫。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖9 軟件總體流程圖

軟件總體流程如圖9所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)容包括時(shí)鐘、ADC采集、中斷向量、Flash、DSP外設(shè)、外部總線、1553B總線、定時(shí)器、外部中斷和看門狗等。初始化完成后判斷RT模式標(biāo)志位是否為1，如果為1，則根據(jù)RT命令字分別進(jìn)行自檢、時(shí)間同步和時(shí)間同步子地址重置，其中自檢主要判斷溫度是否在10～30 ℃范圍內(nèi)，每隔500 ms將自檢結(jié)果寫入到發(fā)送子地址，判斷自檢結(jié)果被取走后，將自檢結(jié)果初始化為0xFFFF。如果RT模式標(biāo)志位不為1，則檢查是否有中斷，首先檢查看門狗是否到時(shí)，如果到時(shí)則喂狗，然后檢查500 ms定時(shí)是否到時(shí)，如果到時(shí)則執(zhí)行自檢函數(shù)，最后檢查400 ms定時(shí)是否到時(shí)，如果到時(shí)，則計(jì)算ADC采集結(jié)果。

4 可靠性設(shè)計(jì)

該機(jī)載特種設(shè)備艙內(nèi)的溫度對(duì)艙內(nèi)設(shè)備的正常工作影響很大，且在空中長(zhǎng)時(shí)間掛飛飛行，因此對(duì)溫度控制系統(tǒng)的可靠性要求很高，溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，采取的可靠性措施主要有：

1)溫度控制方案采用純硬件電路控制的方案，避免了軟件設(shè)計(jì)方案中存在的軟件跑飛、死機(jī)等造成系統(tǒng)工作故障；

2)溫度分區(qū)獨(dú)立控制設(shè)計(jì)。根據(jù)該機(jī)載特種設(shè)備艙內(nèi)溫度分布不均的特點(diǎn)，溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沿艙的軸向分3個(gè)溫區(qū)獨(dú)立加熱，3個(gè)溫區(qū)分別由3個(gè)獨(dú)立的溫度控制模塊獨(dú)立控制；

3)溫度傳感器冗余設(shè)計(jì)。在每個(gè)溫區(qū)安裝了3個(gè)獨(dú)立的溫度傳感器，分別采集不同位置的艙內(nèi)溫度，用于溫度的判斷；

4)電加溫元件冗余設(shè)計(jì)。在每個(gè)溫區(qū)安裝了12片電加溫元件，即使有個(gè)別電加溫元件出現(xiàn)故障，也不影響正常加溫；

5)溫度控制電路三判二設(shè)計(jì)。對(duì)每個(gè)溫區(qū)的3路溫度控制信號(hào)進(jìn)行三判二處理后，再控制后端加溫通路的通斷，由此提高溫度控制通路的可靠性；

6)與機(jī)載主控系統(tǒng)的通訊采用1553B總線，為A、B總線雙冗余設(shè)計(jì)，具有很高的可靠性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

5.1 溫度采集精度試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本系統(tǒng)中使用的熱敏電阻元件MF501電阻阻值與溫度的換算公式為：

(6)

式中，t為攝氏溫度( ℃)；R為熱敏電阻的阻值(Ω)；a、b、c為常數(shù)，分別為：a=-6.011 88；b=4 622.533 37；c=-86 421.724 14。

使用專用檢測(cè)設(shè)備模擬-40～60 ℃范圍內(nèi)的熱敏電阻的阻值，從-40～60 ℃間隔1 ℃遞增，記錄溫度采集值，經(jīng)過(guò)測(cè)試，溫度采集值與設(shè)定值相比誤差最大不超過(guò)±0.4 ℃，表明溫控系統(tǒng)的溫度采集精度優(yōu)于0.4 ℃。

5.2 溫度控制精度試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本溫控系統(tǒng)的高低溫控溫點(diǎn)分別為23 ℃和17 ℃，即溫度低于17 ℃時(shí)，溫控通路接通，溫度高于23 ℃時(shí)，溫控通路斷開。使用專用檢測(cè)設(shè)備模擬熱敏電阻的阻值，從-40～60 ℃間隔0.1 ℃遞增，記錄溫控通路接通和斷開的溫度值，再?gòu)?0～-40 ℃間隔0.1 ℃遞減，記錄溫控通路接通和斷開的溫度值，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，溫控通路接通的精度優(yōu)于0.4 ℃，溫控通路斷開的精度優(yōu)于0.2 ℃。

5.3 試驗(yàn)曲線

某次試驗(yàn)的實(shí)測(cè)溫度曲線如圖10所示，艙內(nèi)初始溫度為24 ℃左右，艙外溫度為-55 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為12 500 s，由圖可以看出，溫控系統(tǒng)可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將艙內(nèi)溫度穩(wěn)定控制在10～30 ℃范圍內(nèi)。

圖10 某次試驗(yàn)溫度曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種適用于某機(jī)載特種設(shè)備艙的高可靠溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)總體方案以及硬件和軟件設(shè)計(jì)。采用純硬件電路控制方案、分區(qū)獨(dú)立控制設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、溫度控制電路三判二設(shè)計(jì)等多種措施，提高了系統(tǒng)的可靠性。測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度采集精度優(yōu)于0.4 ℃，溫控通路接通的精度優(yōu)于0.4 ℃，溫控通路斷開的精度優(yōu)于0.2 ℃，溫控系統(tǒng)可以將艙內(nèi)溫度長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定控制在10 ℃～30 ℃范圍內(nèi)。