火箭發動機隨機推力調節控制驅動器的研制

馬兵兵，翟麗婷，孫 璐

（1.北京航天動力研究所，北京100076；2.北京航空航天大學，北京100083）

0 引言

針對飛行器不同飛行狀態的要求，動力系統需采用變推力發動機進行推力控制。武器動力系統采用變推力發動機可以提高武器的機動性，加強突防能力，運載火箭如果采用變推力發動機，可以實現最優推力控制，發揮火箭的最佳運載能力[1]。因此，變推力火箭發動機的研究一直是火箭發動機研制領域的熱點，并已經取得許多成果，其中最成功的代表是阿波羅登月計劃登月艙下降發動機 （Lunar Module Descent Engine－LMDE）。

國內外大多數液體雙組元火箭變推力發動機，采用改變固定的噴注單元上游供應系統的壓降（即采用推進劑供應系統控制閥）來調節經過固定幾何形狀噴注器的推進劑流量。美國LMDE發動機采用針閥機械定位噴注器與可變截面的汽蝕文氏管閥，保證在調節范圍內進行等混合比的流量控制。20世紀80年代國防科技大學研制出杠桿雙調變推力發動機，利用杠桿帶動流量調節錐和噴注器的調節針閥實現推力調節。1992年，國內成功研制了混合比和噴注性能同時可控、多次啟動、雙組元雙調節低壓流量定位變推力液體火箭發動機[2]。

隨著變推力技術研究不斷發展，國內某研究所研制了某型變推力發動機，系統采用燃料及氧化劑路的調節閥協調控制推進劑流量，兩臺調節閥用步進電機驅動，為此研制了基于DSP處理器的隨機推力調節控制驅動器。

1 系統結構及功能

隨機變推力控制系統主要由隨機推力調節控制驅動器、燃料調節閥、氧化劑調節閥、發動機系統及上位機組成，如圖1所示。系統工作原理是：隨機推力調節控制驅動器接收上位機隨機推力指令，在定混合比條件下，協調控制燃料路及氧化劑路上的調節閥，從而控制燃料及氧化劑的流量，實現發動機隨機變推力控制。

2 硬件電路

隨機推力調節控制驅動器主要包括兩個電路板：主控制器板和隔離驅動板，如圖2中虛線框內所示。主控制器板接收上位機RS422通訊接口下發的目標推力指令，根據發動機系統性能計算輸出兩臺調節閥的控制信號。隔離驅動板將控制信號隔離放大，輸出驅動兩臺調節閥，并采集調節閥位置傳感器信號。

主控制器板以美國TI公司DSP中的TMS320LF2407A為核心器件、外部擴展RS422通訊模塊及I/O驅動電路等組成。主控制芯片功耗低，40MIPS的執行速度，片內32 K字節的Flash程序存儲器[3]。該芯片的指令執行速度、儲存空間、IO端口均滿足步進電機控制的要求。

步進電機控制驅動的技術關鍵是防丟步。步進電機驅動電路性能好壞直接影響步進電機系統性能的優劣，一個匹配的步進電機驅動可以避免丟步的發生。本設計采用硬件斬波恒流電路驅動兩相混合式步進電機，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，驅動電流達到標定值后，自動斬波控制，使繞阻電流在額定值上下成鋸齒波形波動。這種驅動方式通過快速提升電機繞阻電流，其電流前沿越陡越有利于繞組磁場的快速建立，有利于防止電機丟步，同時極大地改善了驅動電流波形，使電流輸出基本恒定，且系統功耗低，電源效率高[4-5]。

以驅動步進電機的一相電路為例，如圖3所示。Q1，Q2，Q5及Q6為大功率場效應管，Q3和Q4為大功率開關晶體管，U12A為差分比較器，U11A為放大器，D3和D4用于放電回路。當控制信號端A為高、C為低時，晶體管Q3打開，Q4關斷，此時電流采樣電阻R27上沒有電壓，比較器U12A輸出高電平，通過與門打開Q6和Q2，形成通過Q2、電機線圈、Q3和取樣電阻R27的通路。通路打開后，電流迅速上升，采樣電阻R27上的電壓經阻容濾波、線性放大電路與給定電壓比較，當其大于給定電壓，則U12A輸出低電平，關斷Q2，此時通過電機繞組、Q3、R27及D4回路放電。當電流降到給定值以下，比較器又輸出高電平，回路通電。如此反復循環，實現恒流斬波控制。

該硬件斬波恒流驅動電路可在較寬的電源電壓范圍內正常工作，可適應飛行電源系統電池電壓范圍大的特點。

3 軟件設計

變推力雙組元推進劑流量同步調節技術是變推力發動機研制的關鍵技術。由于變推力發動機系統的兩臺調節閥流阻與開度的特性為非線性，且燃料比氧化劑的流量要小得多，流量控制特性完全不同，在一定混合比范圍下，協調控制兩臺調節閥動作是一個難點。

本設計采用查表法，根據發動機各組合件的流阻及調節閥流阻性能參數，計算各推力點的調節閥開度。經計算分析，以推力變化100 N為單位，兩臺調節閥需要調整的開度均較小，兩臺步進電機需要動作的步數偏差只有一兩步。先以相同的頻率同時控制兩臺步進電機動作，當其中一個閥門動作到位，然后單獨控制另一個閥門動作到位。該控制方法下發動機混合比變化很小，且100 N推力變化小于該型變推力發動機總推力的1%，滿足隨機變推力系統要求，因此以100 N為單位設置推力與兩臺調節閥開度對應表。

隨機變推力程序模塊流程圖見圖4，程序先判讀串口是否有新指令輸入，若有新指令，3選2判讀，確認新的目標推力指令；若無新指令則目標推力不變。接著程序判斷目標推力與目前推力的大小。

1）若目標推力指令等于實際推力，則不進行動作。

2）若目標推力指令大于實際推力，進行正向查表，讀取實際推力點到下一推力點的兩臺調節閥需要動作的步數；然后協調控制兩臺閥門正向動作（一步一步地正向控制兩臺調節閥動作，直到其中一個調節閥到位，再控制另一臺閥門動作）；兩調節閥均控制到下一推力點后，將實際推力加100 N，返回隨機變推力子程序循環，重新判斷目標推力指令與目前推力的大小。

3）若目標推力指令小于實際推力，則向反向查表，程序流程與正向類似。

該查表控制方法程序結構簡單，計算量小。對于不同的發動機系統，不同的調節閥特性，不同的變推力要求，隨機推力調節控制驅動器只需在線下載新的推力-閥門開度對應表到DSP處理器，即可實現系統隨機變推力控制要求。

4 試驗

隨機變推力控制驅動器參加了多次發動機系統地面冷調及動力系統熱試考核，其工作穩定可靠，隨機推力調節響應快速，兩臺調節閥協調控制準確，實現了發動機在一定混合比下隨機變推力工作。

變推力發動機試車時，推力監控數據曲線如圖5所示。當大推力變化時，調節閥需要調整的步數大，實際推力線需要一定的控制時間才達到目標推力線，如圖5左側的曲線所示。當小推力變化時，調節閥需要調整的步數少，實際推力與目標推力線基本重疊，如圖5中間的曲線所示；當在推力調整過程中，收到新推力指令，立即響應該目標推力指令，如圖5右側的曲線所示。該控制驅動器最小推力變化響應時間約為10 ms，最大推力變化響應時間小于1.5 s；

5 結論

該隨機推力調節控制驅動器，硬件電路結構簡單，斬波驅動電路驅動能力強，有利于防止步進電機丟步，對電源的適應性強，軟件控制算法簡單且容易實現，數據查表模式便于修改及調整，實現了變推力雙組元推進劑流量同步調節，滿足了變推力發動機高精度、快響應的控制要求。

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