基于MOS管的箭載時序控制器設計與實現

江良偉，季海波

(1.北京星際榮耀空間科技有限公司，北京 100176； 2.北京理工大學 機電學院，北京 100081)

0 引言

運載火箭控制系統一般由導航與制導系統、姿態控制系統、時序控制系統和供配電系統組成[1]。其中時序控制系統在運載火箭飛行過程中執行如各級發動機點火、級間分離、整流罩分離、星箭分離等多項時序輸出關鍵動作，控制對象包括了運載火箭的所有分系統。若火箭的時序控制系統失效，一般將直接造成整個飛行任務的失敗，甚至危及發射場和參試人員的安全。

針對新一代運載火箭控制系統架構[2-3]及民營商業運載火箭快響應、低成本、高可靠的要求，對集成化、智能化、快速測試的箭載時序控制器的需求越來越緊迫。時序控制器[4-5]作為運載火箭上的控制設備，在火箭發射前，一方面要完成箭上火工品和電磁閥阻值測試，另一方面，需要完成火箭燃料輸送系統的液路、氣路的開啟，發動機安全保險機構的解除、箭地配電轉換、電池激活等關鍵動作的控制；在運載火箭起飛后，需要發出時序控制信號，控制火箭上各種火工品工作以完成相應時序的動作，控制箭上姿軌控系統的噴管開啟與關閉。因此，時序控制器的可靠性設計具有非常現實的意義。

結合新一代運載火箭控制系統對時序控制器的新要求，提出了一種基于MOS管的運載火箭時序控制器設計技術，充分利用MOS管功率密度大、體積小的優勢，開展冗余設計，實現了高可靠和高精度的運載火箭時序控制系統，較好地解決了現有時序控制系統的不足。

1 時序控制器結構及原理

傳統時序控制器一般叫綜合控制器，由獨立的CPU及外圍電路組成。綜合控制器通過通用總線，如RS422、RS485等接收飛控計算機的控制指令，對外提供時序輸出。

本時序控制器對原有綜合控制器進行簡化，在保留所有功能性能的同時，減小了儀器體積、提高了可靠性。其結構由測控部分和時序輸出部分組成，前者包括FPGA電路、測試電路，后者包括驅動電路、基于MOS管的功率輸出電路等。根據新一代運載火箭的要求，其中時序輸出的被控對象包括火工品時序、電磁閥時序、解保機構時序等，對應的時序控制器中時序輸出電路有所不同。時序控制器功能框圖如圖1所示。

圖1 時序控制器功能組成框圖

時序控制器的工作原理為，通過自定義高速串行總線接收飛控計算機的指令通過FPGA進行譯碼、控制，輸出有效的時序信號，然后由驅動電路輸出到MOS管輸入端，再由MOS管輸出有效電平驅動火工品或電磁閥動作，完成對應時序輸出的控制及驅動。在時序輸出的同時，可以通過回采電路進行時序回采，確保了時序控制器的可靠性。

時序控制器的軟件運行在FPGA中，包括自定義高速串行總線接收IP核、時序輸出控制邏輯、時序回采狀態測試及回路阻值的AD采樣控制。

為了提高可靠性，功率輸出電路中的MOS管采用串并聯設計，確保了任意一個MOS管出現短路或斷路失效，均不影響時序動作的實現。為了保證火工品的安全，火工品時序輸出串聯限流電阻；為了抑制電磁閥負載產生的反向電動勢，電磁閥時序輸出并聯消反峰電路。

2 時序控制器硬件設計

2.1 時序輸出設計

時序控制器輸出電路包括FPGA、驅動電路、MOS管電路。FPGA選用某公司的XXX1000-XX208I芯片，集成了自定義高速串行總線接收端的IP核以及其他邏輯控制等。時序輸出電路框圖見圖2。

圖2 時序輸出電路圖

圖2中驅動電路使用LT公司的LT4363作為MOS管驅動控制芯片，該芯片通過電荷泵的控制形式控制MOS開關通斷。LT4363芯片為輸入浪涌電流控制芯片，實際使用中將浪涌電流檢測電阻短路，使電路一直處于穩定導通狀態，通過控制欠壓端來實現電路的通斷控制。當控制芯片LT4363的欠壓端電壓大于門檻電壓1.27 V時，控制芯片正常工作，芯片內部電荷泵加壓輸出驅動信號；當控制芯片LT4363的欠壓端懸空或電壓小于門檻電壓1.27 V時，控制芯片停止工作。

圖2中Kn開關選用某公司的N型MOS管BSC035N10NS5，該MOS管的主要參數如下：工作節溫-55～175℃；耐壓100 V；最大工作電流100 A；最大結電阻3.5 mΩ。Kn開關電路的MOS管均采用冗余設計，每路輸出使用4只MOS管進行串并聯設計，電流由并聯2個MOS管分擔，在大電流流過時可以降低總發熱量。

采用本設計基于MOS管方案的優點在于：采用的MOS管體積很小，但流過的電流很大，在一塊印制板上可以集成幾十路甚至上百路時序輸出電路，大大減小了電子產品的體積；MOS管內阻很小，流過的大電流基本不會發熱，降低了對產品散熱設計的工作量；MOS管開關動作速度快，反映靈敏，沒有敏感方向，安裝方便，降低了布局布線的設計難度；驅動MOS管電路設計簡單，采用具有電荷泵功能的集成芯片，在原有電路上不增加太多硬件，電路設計簡單可靠。

2.2 電磁閥節能設計

對于電磁閥需要長時間接通控制的特殊使用，設計了一種節能驅動控制的方案，控制框圖見圖3。文獻[6]提出了一種電磁閥保持電流的自動調節系統設計研究，本方案基于智能控制思想，采用一種PWM控制的節能驅動電路方案。

電磁閥節能驅動電路與普通時序輸出電路類似，包括FPGA、節能驅動電路、MOS管，其中FPGA、MOS管選擇與常規時序輸出電路一致。其設計難點在于驅動隔離信號的產生。為了適應PWM的控制及非節能的電平控制，并考慮到信號隔離，節能驅動電路使用Broadcom公司的高速光偶HCPL-3180作為隔離驅動芯片，配合TI的隔離電源 DCP010515產生隔離信號，控制MOS開關通斷。節能控制電路見圖3。HCPL-3180作為MOS管的驅動芯片，具有高速、驅動電流大的特點，可同時適應高低電平及PWM控制信號。隔離電源DCP010515用于給驅動電路提供+15V的電壓，滿足MOS柵源極控制電壓電流的要求。

圖3 電磁閥節能驅動電路

電磁閥節能驅動電路的控制方法如下。

1)非節能控制：飛控計算機通過自定義高速串行總線發送非節能控制指令；時序控制器中FPGA接收指令并輸出高電平信號；節能驅動電路控制MOS接通；電磁閥閥門打開，電磁閥處于非節能工作狀態。

2)節能控制：飛控計算機通過總線發送節能控制指令；時序控制器中FPGA接收指令并輸出PWM信號；節能驅動電路控制MOS保持接通狀態；電磁閥處于節能狀態。

3)關閉電磁閥：電磁閥節能狀態時間到達后； 時序控制器中FPGA接收指令并輸出低電平信號；節能驅動電路控制MOS斷開；電磁閥閥門關閉。

其中FPGA輸出PWM信號是節能控制方法的關鍵，為了適應不同的電磁閥節能要求，PWM的頻率、占空比參數可調。經過試驗表明，電磁閥節能工作穩定可靠，節能電流與設定值一致，達到了節能的目的。

方案中用到的電磁閥節能狀態下，PWM脈沖的周期頻率為30 K，占空比從100%變化到60%，之后穩定在60%，時間關系如下。電磁閥消耗的電流從非節能的1.5 A降到節能的0.6 A。

表1 占空比與時間對應關系

采用本方案除了MOS的自身優點外，通過FPGA輸出的PWM控制信號頻率和占空比可變，可以滿足不同電磁閥對控制電流的要求，使用安全可靠、靈活方便。

2.3 時序測試設計

2.3.1 時序狀態回采

時序是否正確輸出，需要有一種簡潔的測試手段。給出一種時序輸出回采方案，來判斷時序狀態，作為運載火箭地面測試中一個重要的判據。

如圖3所示，時序輸出狀態回采，通過光耦隔離將時序開關量狀態反饋給FPGA，再通過自定義高速串行總線送給飛控計算機。回采電路包括光耦HCLP_0631和施密特觸發器 SN74LVC14AD組成，后者用于對時序信號進行整形。由于所選用的光耦為高速光耦，飛控計算機不但能判斷時序輸出的有無，還能測試時序的時間長度，精度能達到0.01 ms。

2.3.2 回路阻值測試

文獻[7-8]提出了火工品線路電流的計算方法及高精度火工品控制電路測試的方案，本方案提出一種火工品回路阻值的低壓測試技術。總體的電路方案是通過在時序輸出電路中增加回路阻值測試電路，包括+5V1低壓電源和電壓AD測量電路，來間接測出火工品回路的阻值，功能框圖見圖4。

圖4 低壓測試電路

圖4中，r1、…,rn為火工品，Rx1、…,Rxn為火工品保護電阻， +BF為火工品電源正端，-BF為火工品電源負端，K1、…,Kn為相應火工品引爆電路控制開關，Kc1、Kc2為回路阻值測試開關，R1、R2為測試限流電阻。+BF取28 V，R1、R2均取50 Ω，為高精度電阻。

電壓AD測量電路采用差分測量的方式，主要包括差分運放、AD轉換器和隔離電路。采用差分測試電路具有測試精度高，抗干擾能力強的特點。

火工品回路阻值測試的具體實施步驟如下：

采用本方案進行火工品回路阻值測試的優點在于：低壓測試電路簡潔明了，在原有電路上增加較少的硬件，電路設計簡單可靠。低壓測試安全可靠，設計有安全電流保護電阻，使用低壓+5 V電源測試時不會引爆外接的火工品，即使測試電阻出現短路情況，安全性仍得以保證，安全性高。電壓測量電路精度較高，采用差分原理采集采樣電阻上的差分電壓，抗干擾能力強，精度高，該測試方案，可以準確測試火工品回路阻值。

3 時序控制器軟件設計

時序控制器解析飛控計算機通過自定義高速串行總線發送的時序指令，進行相關時序的接通與斷開，同時進行時序回采狀態測試及回路阻值的AD采樣控制。

時序控制器的軟件運行在FPGA中，包括完成時鐘輸入、復位輸入、地址譯碼、總線接收IP核、時序輸出控制邏輯、時序回采模塊及回路阻值測試及電壓電流測量等功能。結合時序控制器硬件電路及在系統中的測試流程，設計FPGA軟件控制框圖如圖5。

圖5 時序控制器工作流程

軟件編程、綜合及布局布線使用Xilinx公司Vivado2016.4版本，采用基于Verilog語言進行設計。

軟件設計按照自頂向下及模塊化的設計思路，建立，保持時間符合接口的要求，外部復位增加數字濾波處理，提高了軟件設計的可靠性。

安全性設計按照運載火箭系統大綱、規范、軟件質量保證大綱要求執行。為了保證軟件設計的質量，進行了開發方仿真測試和第三方的測試評審。

4 試驗驗證與分析

時序控制器屬于運載火箭上的關鍵部件，關系到飛行試驗的成敗，務必確保萬無一失。因此，產品出廠前均需要完成各種單機環境試驗、系統匹配試驗。

4.1 單機環境試驗

在單機環境試驗中，完成了規定的環篩、老煉、高低溫工作、高低溫循環、鑒定振動等環境試驗項目。使用自動化測試設備，模擬火箭發射的流程，反復給時序控制器上電并輸出時序控制信號。通過采集記錄設備存儲數據，并對每次的測試結果進行自動判別。

經過對產品的上百次測試，結果表明：時序控制器功能可靠，每次測試都能夠在指令規定的時序節點輸出控制信號。

4.2 系統匹配試驗

時序控制器參與了運載火箭電氣系統的綜合試驗和匹配試驗，包括全功率開機模飛、脫拔模飛、一二級被動安控模飛、極性模飛以及終止發射流程等。

從各個專業對天基、地基的數據判讀，時序時間可裝定，時序精度為優于0.01 ms，時序輸出滿足了控制系統各項試驗要求，為運載火箭型號出廠及飛行試驗奠定良好的基礎。

圖6 時序控制器參與仿真試驗

4.3 系統仿真試驗

時序控制器參與了運載火箭系統仿真試驗。文獻[9-10]提出了時序仿真系統的測試方案，本時序仿真系統以分布式架構為基礎，將電氣系統各軟件、硬件產品部署在“軟硬件在回路”的仿真系統里，可兼顧軟件測試與時序仿真試驗兩大需求，并根據不同需求將參試設備進行合理化組合。

通過仿真測試表明，由時序控制器發出的RCS電磁開關信號與設計一致。

4.4 飛行試驗

2019年7月25日，時序控制器參加了某運載火箭在酒泉衛星發射中心組織首飛，飛行試驗取得了圓滿成功。通過遙測數據判讀，時序控制器在全程的飛行過程中均工作正常。

5 結束語

基于MOS管的時序控制器主要從高可靠冗余硬件電路設計、測試覆蓋性設計等時序控制器的關鍵技術，對運載火箭時序控制器的實現過程進行了論述。該時序控制器集時序輸出、節能時序控制、時序回采及回路阻值測試功能于一體，具有工作穩定、簡單可靠、功耗低、體積小的優點，極大地節省了火箭的安裝空間。

經過測試驗證，該時序控制器設計滿足火箭總體要求，經過飛行試驗的考核，圓滿完成飛行試驗任務。時序控制器設計合理，性能穩定，運行可靠，具有一定的通用性。為后續采用整體多模冗余體制的時序控制器產品提供了參考，并對運載火箭的系列化產品研制具有重要的指導意義。