一種新型高可靠性箭上配電控制器設(shè)計

葛 立，李 驥，劉 毅，王 未，馮敏濤

（1 北京航天長征飛行器研究所 北京 100076 2 中國運載火箭技術(shù)研究院 北京 100076）

引 言

箭上遙測系統(tǒng)是航天運載器和武器型號中負責采集箭內(nèi)各種飛行參數(shù)并與其它系統(tǒng)進行指令交互的重要分系統(tǒng)。箭上配電控制器的作用是根據(jù)指令或程序?qū)⑦b測系統(tǒng)中的各類傳感器、采編器、存儲器、中心程序器、接口控制器等進行電能分配并采集狀態(tài)和回報。近年來，航天發(fā)射任務(wù)密集，新器件、新技術(shù)不斷在新型號中使用，與此同時，暴露出了傳統(tǒng)遙測配電器中的一些問題。設(shè)計一種適應(yīng)新時代下的新型高可靠性箭上遙測配電控制器成為必然。本文基于對傳統(tǒng)遙測配電器優(yōu)缺點分析，提出并設(shè)計了一種新型高可靠性箭上遙測配電控制器。

1 箭上遙測配電控制器原理與問題分析

1.1 工作原理

箭上遙測系統(tǒng)配電器系統(tǒng)組成如圖1所示。箭上遙測配電器通過接收控制系統(tǒng)或地面測控計算機指令選擇通過箭上電池或地面電源給各類遙測設(shè)備供配電，同時，回采各設(shè)備電壓電流狀態(tài)回報給指令發(fā)出方以判斷箭上遙測系統(tǒng)工作狀態(tài)是否異常。

圖1 遙測系統(tǒng)配電器系統(tǒng)組成Fig.1 Composition diagram of telemetry system distributor

1.2 問題分析

傳統(tǒng)箭上配電器給遙測設(shè)備供配電通過接收指令或地面開關(guān)控制電磁繼電器的常閉、常開觸點的吸合與斷開配合實現(xiàn)；配電回采分為電壓和電流兩部分，電流采用霍爾傳感器進行采集變換后與電壓一并進行AD變換送入主處理器內(nèi)進行算法處理后回報給地面或控制系統(tǒng)。

電磁繼電器根據(jù)電磁效應(yīng)，工作時輸入回路中線包供電，電流產(chǎn)生足夠大的磁力使得輸出回路的銜鐵工作，常開觸點閉合或常閉觸點斷開實現(xiàn)開或關(guān)。電磁繼電器的觸點開關(guān)為機械開關(guān)，抗干擾能力強，但在近幾年的型號任務(wù)中出現(xiàn)了無法斷電現(xiàn)象，問題定位于觸點被燒壞，即使輸入回路控制電壓消失，常開觸點仍不能釋放，失效分析結(jié)果為機械開關(guān)閉合的瞬間大電流引起的觸點粘連。通過對系統(tǒng)的梳理與比對計算，出現(xiàn)問題的型號中箭上遙測后端設(shè)備所帶容性負載大，上電的瞬間容性負載充電，大能量需求產(chǎn)生了大于繼電器觸點最大過負載的電流，觸點被大電流燒壞粘連引起故障產(chǎn)生。示波器捕獲模擬上電過程瞬間大電流沖擊如圖2所示。

配電電流回采使用霍爾傳感器串入供電回路進行電壓變化處理后進入主控芯片。使用霍爾傳感器的優(yōu)勢是電路設(shè)計簡單；其缺點主要有兩點：缺點一，霍爾傳感器由于本身特性，每個器件使用之初都需要通過試驗法獲得調(diào)整零位電平和斜率的系數(shù)，效率較低，同時帶來的每臺設(shè)備的程序都不相同，軟件歸檔復(fù)雜；缺點二，國產(chǎn)化設(shè)計與小型化箭上設(shè)備設(shè)計產(chǎn)生不可調(diào)和的矛盾，霍爾傳感器國產(chǎn)同類器件體積與重量超過進口芯片10倍之多，新型箭上設(shè)備的體積要求使得必須設(shè)計新的箭上電流采集方案。

圖2 上電模擬試驗電磁繼電器觸點瞬間大電流捕獲Fig.2 Instantaneous current acquisition of electromagnetic relay in power on simulation test

2 新型配電控制器設(shè)計

新型配電器在設(shè)計中采用可靠性設(shè)計、小型化設(shè)計、可擴展化通用設(shè)計的思路。主控芯片選用更為可控、可靠的國產(chǎn)大容量CPLD芯片SM2210；功率配電部分選用大功率MOSFET實現(xiàn)；使用采樣電阻配合運放實現(xiàn)電流的高精度采集。新型箭上配電器總體方案設(shè)計如圖3所示。配電器供電形式分為地面電源供電和箭上電池供電兩種，設(shè)備上電后初始狀態(tài)為地面電源供電，通過KC組MOSFET開關(guān)實現(xiàn)對箭上其他設(shè)備的分路供電控制；接收到轉(zhuǎn)電指令后，KA組MOSFET開關(guān)閉合，箭上電池供電，地面電源斷電。為了監(jiān)控箭上設(shè)備供電工作正常與否，對分路供電通道CH1～CHX的電壓和電流值進行回采，由主控芯片進行軟件判決，具有過流保護功能。配電器與控制系統(tǒng)或地面測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互均為隔離設(shè)計。

圖3 新型箭上配電器總體方案Fig.3 Schematic diagram of the new distributor

基于航天型號產(chǎn)品對可靠性的要求[1]，對關(guān)鍵控制信號同時采取指令、硬觸發(fā)互為備份的冗余設(shè)計思路；對轉(zhuǎn)電后的電池供電狀態(tài)進行自保持設(shè)計；關(guān)鍵開關(guān)采用MOSFET串并聯(lián)形式確保接通和斷開的可靠；地面供電旁路保護電路使得地面長期加電時功率二極管得到保護。

2.1 配電執(zhí)行功能設(shè)計

為解決配電執(zhí)行時機械開關(guān)閉合瞬間大電流引起的觸點粘連問題，采用MOSFET及配套電路設(shè)計替代原電磁繼電器設(shè)計方案。相比于電磁繼電器，MOSFET沒有機械零部件，無機械磨損，無動作噪聲，能在高沖擊、振動的環(huán)境下可靠工作，壽命長；無燃弧觸點，無觸點火花、電弧，對外干擾??；開關(guān)切換速度快，動作時間可達毫秒級[2]。以地面1路供配電為例，如圖4所示，說明配電執(zhí)行功能設(shè)計思路。VCC28G為地面電源輸入，上電后經(jīng)過嵌位二極管D1的保護輸入至導(dǎo)通的MOSFET Q1、Q2，經(jīng)過RC電路濾波，此時若接收到控制系統(tǒng)或地面測控計算機發(fā)來的供配電指令，CPLD則控制I/O輸出兩路互為備份的高電平信號K1_out、K1_out2使得三極管Q6、Q7導(dǎo)通，以此打開并聯(lián)配電開關(guān)Q4、Q5，K1節(jié)點可以向外輸出后端設(shè)備所需功率。地面電源供電時三極管Q3不工作，轉(zhuǎn)電后通過回拉的電池電壓VCC28B2導(dǎo)通，將Q2關(guān)斷以確保電池電流不倒灌至地面電源。為提高配電可靠性，加入二極管D2與MOSFET Q1、Q2并聯(lián)，設(shè)計為Q1、Q2的備份電路，若Q1、Q2不能正常導(dǎo)通，D2可作為后端電路的配電通道使用。

圖4 地面電源供配電原理圖Fig.4 Schematic diagram of ground power supply distribution

2.2 電流采集功能設(shè)計

為解決霍爾傳感器檢測替代問題，設(shè)計使用串聯(lián)采樣電阻檢測技術(shù)進行電流量測量。電阻檢測技術(shù)由于外掛電阻進行電流采集，采樣精度高。為減小在采樣電阻RSENSE上的壓降及功率損耗，RSENSE的阻值要小。設(shè)計中使用允差小于千分之一、溫度特性好、允許環(huán)境溫度寬、長期穩(wěn)定、有失效率等級的毫歐級電阻并聯(lián)方案。電阻檢流電路分為高位檢測和低位檢測。高端檢流電路連到電源端，能夠檢測到后續(xù)回路的任何故障并采取相應(yīng)的保護措施，但需要處理較大的共模信號并使用進口芯片[3]。選擇使用低端檢流電路進行設(shè)計，低端檢流電路運放以地電平作為參考電平，檢流電阻接在正相端，如圖5所示。根據(jù)歐姆定律，用運放采集到的采樣電阻RSENSE兩端的電壓經(jīng)過CPLD進行系數(shù)還原后除以電阻值即可得到采樣電流的數(shù)值。采樣電阻RSENSE使用兩顆并聯(lián)的接法以提高可靠性。

2.3 數(shù)字量測量功能設(shè)計

箭上配電控制器具備接收控制系統(tǒng)和地面綜合測控計算機數(shù)字量信號并轉(zhuǎn)發(fā)給其它箭上設(shè)備的功能。接收端采用光耦隔離串并聯(lián)方式實現(xiàn)，進入CPLD后進行判寬處理；發(fā)送端由兩種方式轉(zhuǎn)發(fā)，分別為CPLD控制三極管驅(qū)動后端電路輸出脈沖和RS422轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)。

圖5 低端電流檢測電路Fig.5 Current detection circuit of sense in GND line

2.4 轉(zhuǎn)電、關(guān)機功能設(shè)計

為了保證箭上配電控制器在流程任務(wù)執(zhí)行過程中能夠順利轉(zhuǎn)電和關(guān)機，設(shè)計為硬件脈沖觸發(fā)和指令觸發(fā)兩者并行模式，任意一種觸發(fā)模式均可實現(xiàn)功能。為保證飛行過程中的可靠性，配電器在轉(zhuǎn)電指令發(fā)出后，其轉(zhuǎn)電開關(guān)應(yīng)始終處于接通狀態(tài)。設(shè)計如圖6所示的自保功能，通過回采轉(zhuǎn)電指令執(zhí)行接通后的電壓VCC28B2使三極管Q5、Q6、Q7、Q8導(dǎo)通，通過拉低On_con信號使得Q1、Q2、Q3、Q4能夠持續(xù)接通以實現(xiàn)轉(zhuǎn)電的自保功能。

圖6 指令轉(zhuǎn)電自保電路Fig.6 Switching command self-protection circuit

3 可靠性設(shè)計

由于航天器在執(zhí)行飛行任務(wù)時，電磁環(huán)境十分惡劣，設(shè)計箭上配電控制器時，運用了頭腦風暴法，應(yīng)對各種有可能出現(xiàn)的突發(fā)情況進行了以下可靠性策略設(shè)計。

3.1 硬件可靠性設(shè)計

配電控制器數(shù)字量采集后轉(zhuǎn)發(fā)硬件驅(qū)動電路分路串入小阻值繞線電阻，若后端接收設(shè)備發(fā)生短路則繞線電阻燒斷，確保配電控制器不受外設(shè)備影響而正常工作。

供配電開關(guān)均采用串并聯(lián)冗余設(shè)計以提高固有可靠性，元器件的選取進行降額使用，設(shè)計了硬件短路保護、自保電路。

3.2 軟件策略可靠性設(shè)計

配電控制器供電默認狀態(tài)為地面電源供電，地面電源上電后通過電源轉(zhuǎn)換后直接給CPLD供電，轉(zhuǎn)電后由箭上電池供電，CPLD上電后先讀取分離開關(guān)狀態(tài)，若分離狀態(tài)無效則接收地面或控制系統(tǒng)指令，實現(xiàn)分路供配電、斷電、轉(zhuǎn)電；如發(fā)現(xiàn)已分離則封鎖指令，斷開緊急關(guān)機通路，不再響應(yīng)指令，直至分離狀態(tài)解除重新打開指令通道。讀取分離開關(guān)決定是否封鎖指令的設(shè)計策略可防止起飛后各種干擾信號帶來的誤關(guān)機和誤動作。

軟件中包含電流報錯策略，若采集電流超過門限電流值，上報給控制系統(tǒng)或地面綜合測控計算機，由二者根據(jù)不同的流程和狀態(tài)采取分級應(yīng)對策略。軟件中對關(guān)鍵信號采用三判二的方式進行處理。

系統(tǒng)發(fā)電平濾波觸發(fā)后的應(yīng)急供電指令，由獨立的CPLD邏輯采集并程序配電，同時轉(zhuǎn)電，以分離指令通道故障和指令部分邏輯故障。指令和應(yīng)急兩種方式若同時上電，響應(yīng)應(yīng)急上電；若任意一種方式斷電則斷電。

4 兩種配電控制器比對

用示波器對新型箭上遙測配電控制器MOSFET電路上電瞬間進行捕獲，如圖7所示。可以看到，MOSFET電路上電過程平緩，不會產(chǎn)生類似電磁繼電器的大電流沖擊現(xiàn)象，有效避免了電流浪涌對后端電路的損傷，提高了配電器的可靠性。

使用高精度采樣電阻的電路進行電流量測量不僅提高了采樣精度，也使得箭上配電器軟件版本號統(tǒng)一，設(shè)備得以實現(xiàn)全國產(chǎn)化的小型化設(shè)計。需要注意的是，這種電路設(shè)計方法使得每個測量通路的零位略有不同，需向任務(wù)提出方確認。

將新型箭上遙測配電控制器與傳統(tǒng)配電器進行參數(shù)比對，具體見表1。新型箭上遙測配電器在體積、重量、飛行可靠性方面優(yōu)于傳統(tǒng)配電器。

圖7 MOSFET電路上電過程Fig.7 Power on process of MOSFET circuit

表1 新舊配電器參數(shù)比對表Table 1 Comparison parameters of new and old distributor

5 結(jié)束語

箭上遙測配電器作為整個遙測系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備，其高可靠地工作是系統(tǒng)得以正常工作的前提。為確保新型箭上遙測配電控制器的高可靠性，在設(shè)計中從元器件選取、硬件電路設(shè)計、軟件策略設(shè)計進行了全方位可靠性設(shè)計。新型箭上遙測配電器通過型號驗證，可以高可靠地在復(fù)雜電磁環(huán)境下長期工作。