面向航空發(fā)動機紅外隱身試驗的熱源模擬器設計

于　兵，賴小皇(江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016)

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面向航空發(fā)動機紅外隱身試驗的熱源模擬器設計

于兵*，賴小皇
(江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016)

摘要:設計了一種基于TMS320F28335的航空發(fā)動機紅外隱身試驗的熱源模擬器。該裝置通過K型熱電偶感受某飛機發(fā)動機模型的溫度，并通過調(diào)理電路將信號傳遞給DSP。通過交流電加熱電阻絲以實現(xiàn)溫度模擬，執(zhí)行元件為固態(tài)繼電器，通過調(diào)節(jié)通斷占空比來調(diào)整輸出量。基于PID控制技術實現(xiàn)了恒溫、恒熱流控制算法，并在實際環(huán)境下進行了參數(shù)整定。實驗表明，該裝置能實現(xiàn)0～1 000℃范圍以內(nèi)閉環(huán)溫度控制，誤差范圍在5℃以內(nèi)，該模擬裝置具有模擬精度高、響應快、實時性強、穩(wěn)定性好、功耗低等特點。

關鍵詞:航空發(fā)動機;紅外隱身;溫度控制;恒溫算法;恒熱流算法

隨著各種天基、空基、面基(包括地面和海面)的雷達和紅外探測系統(tǒng)技術的發(fā)展，發(fā)動機紅外隱身和雷達隱身愈發(fā)成為飛機隱身工作的關注重點。對于航空發(fā)動機來說，由于其工作溫度極高，不可避免的會產(chǎn)生輻射，因此，如何降低發(fā)動機的紅外特征信號顯得尤為重要［1－2］。降低發(fā)動機高溫壁面溫度或降低高溫壁面的表面發(fā)射率(黑度)［3－4］可采取冷卻措施，但這些方法的研究需要開展大量的試驗研究，探究其工作機理。然而，機理性試驗不可能僅通過發(fā)動機試車臺來完成，必須設計一套模擬裝置來模擬發(fā)動機工作過程中的傳熱情況。因此，有必要設置一個或多個熱源來模擬發(fā)動機的散熱情況。本文提出了一種基于DSP的恒溫、恒熱流溫度控制系統(tǒng)。采用一種由220V電加熱電阻絲提供熱源，由DSP控制固態(tài)繼電器，實現(xiàn)電加熱控制發(fā)動機模型溫度場的方法，設計了針對熱電偶傳感原理的溫度采集電路，實現(xiàn)了對不同工況能滿足具體需要的控制策略，以達到最終對溫度場進行恒溫控制或者恒熱流控制的目標。

1　熱源模擬器總體設計

熱源模擬系統(tǒng)主要分為發(fā)動機模型熱源部分與溫度采集控制部分。其中，發(fā)動機模型加熱部分分別在發(fā)動機的壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管、加力燃燒室安置不同阻值的電阻絲，根據(jù)發(fā)動機紅外輻射能量來自高溫固體壁面的機理，采用220 V電壓供電加熱模擬發(fā)動機的發(fā)熱情況，每路電阻絲的功耗約在600 W～2．5 kW。之所以采用電加熱，主要是由于其具有節(jié)能環(huán)保、方便控制器通過固態(tài)繼電器進行連接，以使用PID算法對發(fā)動機模型加熱快慢進行控制;核心控制模塊采用DSP芯片TMS320F28335作為數(shù)據(jù)采集和控制的核心，將5路K—型熱電偶采集到的溫度信號作為輸入，經(jīng)過A/D信號放大與調(diào)理電路后直接與DSP芯片相連接，將經(jīng)過放大與調(diào)理后的各路溫度信號發(fā)送給DSP中的ADC轉換模塊轉換為實際溫度值以方便對溫度信號進行PID算法的控制。通信接口電路采用通用的RS232串行接口與PC機相連，實現(xiàn)與上位機的參數(shù)通信。對控制模塊而言，由于控制器采用5V電源供電而發(fā)動機模型加熱電路采用220 V電源供電，為完成電源的隔離供電，保證電路的安全性，并考慮到固態(tài)繼電器有著其他一些優(yōu)點: (1)壽命長、可靠性高; (2)靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好; (3可實現(xiàn)快速轉換功能，切換速度可達到幾毫秒至幾微妙; (4)電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。因此，我們采用固態(tài)繼電器利用DSP發(fā)出的PWM控制信號來完成控制發(fā)動機模型加熱快慢的功能［5－6］。系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設計方案

2　硬件電路設計

2．1核心處理器模塊

由于熱源模擬器的處理器需要對采集到的溫度信號進行AD轉換并執(zhí)行PID控制算法控制PWM波形輸出，考慮到成本不宜過高、運算速度較快、控制精度較高、處理器大小適中等因素，采用TI公司的TMS320F28335處理器［7］。該處理器核心電壓為1．8 V，I/O電壓為3．3 V，內(nèi)置256 kFLASH和34 kSRAM，采用8級指令流水線，主頻高達150 MHz，最高速度1 s可執(zhí)行1．5億條指令。32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC，擁有多達18路的PWM信號輸出，其中6路為TI公司特有的、具備更高精度的PWM信號輸出(HRPWM)，以及12位16通道ADC。保證了信號采集和處理的快速性和實時性。

本設計中將其中5路PWM輸出用于控制固態(tài)繼電器，8路ADC轉換信號，SCI總線與電平轉換芯片共同完成與上位機的通信。

2．2溫度信號采集模塊

模擬的發(fā)動機溫度皆為較高溫度，最高可達1 000℃，而測溫精度應控制在5℃范圍內(nèi)，因此所采用的傳感器為熱電偶。由于熱電偶的輸出電壓較為微弱，因此采用如圖2所示的電橋及運算放大器組成的調(diào)理電路將其放大。信號調(diào)理放大電路如圖2所示。

圖2對輸入采用一級放大，輸出電壓約為0．2 V～4．8 V，對應溫度約為0～1 000℃，放大后的電壓信號經(jīng)A/D轉換后送到DSP處理器。為了進一步提高溫度信號的測量精度，在測量電路設計中偏置電源都采用較高精度的基準源(圖2中VREF為2．5 V)，同時為了降低噪聲對測量結果的影響，在電路中加了反饋電容C02。

溫度信號調(diào)理電路中的熱電偶信號調(diào)理電路采用一級放大器，運放采用LM358，根據(jù)運放電路特性得如下公式:

其中，V1和V2的初始值如下:

青蘿向來對自己的容貌自信，但當看到女子的那張臉時，仍不免驚嘆世間竟有如此美人！她看起來比自己年長不了幾歲，也就十七八歲的模樣，膚色白皙，面容姣好靈透，帶著一種不食人間煙火的純凈和圣潔。她的身體縱然沾染了血污，她的衣服縱然殘破不堪，卻也絲毫不能影響到她的圣潔和美好。

將上述式(3)代入下式

計算可得該電路中T0與Vin的對應關系為:

通過代入圖示電阻阻值，可以計算得到放大增益。第一級橋路的作用是在熱電偶信號為零時調(diào)節(jié)電位器，從而改變V1，得到一個初始輸出，使放大器在其允許的輸出下限以上工作。

圖2　溫度信號調(diào)理放大電路

2．3 PWM溫度控制模塊

由于發(fā)動機模型加熱部分功率較大，因此使用固態(tài)繼電器(SSR)控制。SSR成功地實現(xiàn)了弱電信號(Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由于光耦合器的應用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設備等方面得到廣泛應用。

SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，與“線圈—簧片觸點式”繼電器(MER)相比，它沒有任何可動的機械部件，工作中也沒有任何機械動作。SSR由電路的工作狀態(tài)變換實現(xiàn)“通”和“斷”的開關功能，沒有電接觸點，所以它有一系列MER不具備的優(yōu)點，即工作高可靠、長壽命，無動作噪聲，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點使SSR可在航空領域得到極大的用處［8］。

該模塊的工作原理具體而言是由DSP將每隔一定時間采樣進來的信號經(jīng)過A/D轉換模塊處理并通過PID控制計算出控制輸出量，轉化為PWM信號的占空比，再由DSP的PWM模塊引腳輸出相應的高低電平控制固態(tài)繼電器，如果所測得的溫度值比給定溫度值小，那么固態(tài)繼電器轉變成通態(tài)進行加熱升溫處理，反之則轉變成斷態(tài)暫停加熱。

圖3　PWM溫度控制模塊

本試驗中由于SSR的輸出為發(fā)動機模型電加熱部分，采用220 V供電，加熱電阻阻值較小，介于20 Ω～80 Ω之間，每路電阻絲的功耗約在600 W～2．5 kW;輸入為DSP控制部分，考慮到通常固態(tài)繼電器的通斷時間小于等于5 ms，試驗加熱的電阻絲具有一定的慣性升溫時間，需要的通斷頻率較小，故可取周期為100 ms的PWM信號控制，又考慮到對環(huán)境溫度并無特殊要求，故采用CDG1 －1DA/15A的SSR。考慮到SSR的體積及固定等因素，故本控制裝置中將SSR與控制核心電路板集成到一個控制箱中并加以固定后通過航空插頭將SSR的輸出部分線路引出以用于和發(fā)動機模型加熱電路部分進行連接。PWM溫度控制模塊如圖3所示。

2．4串口通信模塊

串口通信模塊采用MAX3232收發(fā)器芯片。MAX3232具有2路接收器和2路驅(qū)動器，能夠確保在120 kbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率下維持RS－232輸出電平，滿足溫度采集與控制系統(tǒng)與PC機間的通信速率和接口數(shù)量要求。該模塊主要完成從上位機發(fā)送需要控制的目標溫度值或者目標占空比給下位機并從下位機實時發(fā)送當前溫度值給上位機顯示的功能。

3　恒溫恒熱流控制方法

在面向航空發(fā)動機紅外隱身試驗中，恒溫控制的作用在于通過PID閉環(huán)控制，使發(fā)動機溫度保持在某一恒定數(shù)值;恒熱流控制的作用在于在無風條件下，通過一定的占空比加熱發(fā)動機，使其最終達到某一溫度值。研究恒溫加熱的意義在于可以了解發(fā)動機的紅外輻射特征，而研究恒熱流加熱的意義則在于可以了解發(fā)動機艙通風冷卻的效果。通過這2種試驗來最終達到研究降低發(fā)動機紅外輻射的方法的有效性。

在基于DSP的控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID控制器對溫度進行控制。PID控制器是一種線性控制器，它將設定值與測量值之間偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。PID控制算法可分為位置式PID算法和增量式PID控制算法。由于位置式PID算法存在某些缺點，而增量式PID控制算法具有誤動作時影響小的優(yōu)點，手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。算式中不需要累加，控制增量u(k)的確定僅與最近k次采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果，因而本文選用增量式PID控制算法，經(jīng)典的數(shù)字PID增量型算式為

其中Kp為比例系數(shù)、KI為積分系數(shù)、KD為微分系數(shù)。

比例環(huán)節(jié)即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用弱，反之則越強。微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間［9－12］。

3．1恒溫算法

恒溫控制算法采用標準PID控制，其中重要的工作是進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)。考慮到實際系統(tǒng)的工作原理較為簡單，因此采用試湊的方法進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程中為保證較好的控制響應速度，因此先用P控制得出較好的KP參數(shù);然后采用PI控制進一步調(diào)節(jié)KP參數(shù)和KI參數(shù);最后引入微分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)KP、KI和KD參數(shù)，以最終系統(tǒng)達到調(diào)節(jié)要求為準。經(jīng)調(diào)整后某一溫度控制通道為在控制精度為5℃范圍以內(nèi)，恒溫800℃，采用PID參數(shù)為KP= 2．2，KI= 0．2，KD=0．3的情況下，最終得到的溫度曲線如圖4所示。從圖4可以看出，溫度能在40 s后達到期望值附近并穩(wěn)定，其溫度誤差值能保證在5℃以內(nèi)，達到設計的要求。

圖4　某溫度通道恒溫控制結果圖

3．2恒熱流算法

恒熱流控制算法是本設計的另一個關鍵，其基本思路是首先通過PID閉環(huán)控制將溫度穩(wěn)定在某一期望溫度，然后計算穩(wěn)定后一段時間內(nèi)(如10 s)輸出控制量(PWM占空比)的平均值，最后進入開環(huán)模式，其輸出控制量保持為穩(wěn)定期間輸出控制量的均值。流程圖如圖5所示。

圖5　恒熱流算法流程圖

4　試驗結果分析

發(fā)動機模型熱源部分與溫度采集控制部分之間的連接采用航空插頭以便于連接，將控制器與發(fā)動機模型熱源連接好，設定好恒溫控制的目標溫度值，將波特率設為38 400，選擇打開串口，當通信指示標記開始閃爍之后說明上位機與下位機之間通信正常，此時給發(fā)動機模型熱源供電，開始試驗。試驗結果如圖6所示，圖示為恒溫控制穩(wěn)定后的5路溫度值曲線。

圖6　溫度控制及監(jiān)控界面

試驗結果表明:在設定的目標溫度值與實際采集到的溫度值之間基本能夠控制在5℃誤差范圍以內(nèi)，溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力較強、穩(wěn)定性較好，滿足試驗的要求。

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于　兵(1979－)，男，漢族，工學博士，江蘇邗江人，南京航空航天大學能源與動力學院講師，博士，主要研究航空發(fā)動機控制及測試技術，yb203@ nuaa．edu．cn;

賴小皇(1989－)，男，四川自貢人，碩士，研究方向為航空工程。

A Novel Thermal Protection Circuit for Motor Driver Circuit

ZHANG Mingxing1，Zhu Tiezhu1，Wang Liangkun1，2*
(1．Institute of Microelectronics，the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China; 2．Hangzhou Zhongke Microelectronics Co．，Ltd．，Hangzhou 310053，China)

Abstract:A novel thermal protection circuit is proposed in order to simplify the circuit structure，improve the accuracy and reduce power consumption．The novel thermal protection circuit utilizes the positive temperature coefficient to scale the temperature without any bandgap reference or comparator．Besides，the designed hysteresis function was achieved by the feedback circuit．Based on the HHNEC 0．35 μm BCD process，the circuit is fabricated，the experimental results show that the thermal shutdown temperature is 164℃and the thermal shutdown hystersis is 15℃，the Error is less than 1℃．The circuit presented in this paper is suitable for many Power ICs．

Key words:motor driver; thermal protection circuit; PTAT; thermal hysteresis; BCD

doi:EEACC: 120010．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．029

收稿日期:2014－11－04修改日期: 2014－12－03

中圖分類號:TP29

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 02－0368－05