一種智能化控溫設備設計與實現

余 群，王思峰，王領華，李佳欣，王 騫

(中國運載火箭技術研究院 空天業務部，北京 100076)

0 引言

隨著航空航天技術的不斷發展及新的軍事和國家戰略需求，高超聲速飛行器成為各國航天部門研究的熱點，同時也是中國新型武器系統和高超聲速飛行器發展的重點和趨勢[1-7]。大氣數據是飛行器導航和控制的重要參數，是實現飛行器飛行安全及性能發揮的重要保障[8-15]。傳統的空速管外伸式大氣數據系統在高速、大攻角飛行狀態下會引發一系列結構、防熱和控制問題，無法適用于目標飛行器高速再入飛行條件，且不利于系統故障監測及容錯的實現[16]。因此，參考借鑒美國B-2、F-22、F-35等隱身飛機和X-33、X-34等高速驗證機以及日本、德國等相關成功經驗，目標飛行器計劃采用嵌入式大氣數據系統(FADS，flush air data sensing system)開展大氣數據測量。而為了保證嵌入式測壓孔壓力數據實時采集，保障器上各設備正常工作，驗證目標飛行器嵌入式大氣數據系統的有效性，精確可靠的熱控系統設計是其重要保障[17-18]。

飛行器整個任務剖面內需經歷復雜嚴酷的外部環境條件[19-20]，其中飛行段外部環境溫度較低，且其外部無防隔熱設計，艙內設備極易出現低溫問題，尤其是關鍵單機設備28V鋰離子蓄電池組，對控溫水平和控溫精度提出了較高要求。因此，為確保任務成功，需采取主動熱控和被動熱控相結合的措施，合理控制飛行器內、外的熱交換過程，以保證飛行器艙內設備在全任務剖面內均工作在正常溫度范圍內[21-25]。智能化控溫設備是目標飛行器上熱控系統的重要關鍵單機，承擔著熱控系統加熱回路控制及各路溫度采集控制功能。

基于遇到的問題及困難，綜合評估考慮，通過設計源頭降低成本、縮短周期，開展完成了對智能化控溫設備硬件及軟件系統的自主設計與研制，可保證熱控產品滿足項目總體要求與任務指標，從而保障目標飛行試驗圓滿完成。

圖1 智能化控溫設備構成及信息流示意圖

1 智能化控溫設備總體思路

智能化控溫設備作為目標飛行器上熱控系統的核心產品，在面臨研制經費緊張，產品研制周期短的情況下，采用如下的總體思路，實現了產品的自主研制。

首先，結合目標飛行器對智能化控溫設備的具體要求，利用解耦思路細化分解為若干個功能不同的模塊；后將細化分解后的若干功能模塊采用總線方式進行融合設計，將若干模塊功能實現集合，從而實現預期功能要求；此外，為了實現滿足目標飛行器控溫要求的同時充分考慮后續相關試驗及擴展任務要求，將功能擴展作為智能化控溫設備設計的主要思想之一，為智能化控溫設備預留了可擴展接口，確保后續能夠基于當前智能化控溫設備設計架構，通過模塊的增加或減少實現不同控溫要求。

2 設備詳細設計

為加快推進產品研制，高質量如期交付總裝，針對目標飛行器熱控產品設計要求，通過總線的模式將多個功能模塊連接在一起，從而實現既定目標。

在通信上通過地址不同進行區分，分別負責1～4路加熱、1～8路測溫以及5～8路加熱、9～16路測溫。且在滿足基本功能的同時，考慮到冗余設計和高可靠性設計，智能化控溫設備采用熱備份設計，主備份完全獨立，同時供電，每個通道包括一個熔斷器，一個DC/DC電源，一個溫控模塊，一個固態繼電器模組，一個電磁繼電器模組。供電電源通過熔斷器后進入DC/DC電源，通過內部的升降壓電路將電壓調整成+24 V實現溫控模塊、固態繼電器模塊、電磁繼電器模塊穩定供電，溫控模塊實現溫度采集、控溫等功能，溫控模塊的控溫輸出接入固態繼電器實現對加熱回路的控制，而串入回路的電磁繼電器通過智能化控溫設備的指令實現超溫自動斷開保護。智能化控溫設備產品的具體組成參見圖 1所示。

2.1 硬件設計與選型

智能化控溫設備硬件產品主要包括金屬殼體和內部模塊兩部分。金屬殼體充分采用力學和傳熱性能較好的鋁材，為確保滿足力學環境條件殼體采用鋁合金加筋設計，平均厚度2.5 mm，通過鈑金工藝彎折加工成箱，連接處采用箱板加工螺紋孔并采用螺釘連接。

內部模塊安裝參考航空航天相關電裝工藝，為滿足力學環境試驗及使用要求，采用灌封工藝對電路板及電子學元器件進行加固。

內部模塊主要包括主備份溫控模塊、DC/DC電源模塊、固態繼電器和電磁繼電器模塊等，上述各模塊都為一主一備，共計2塊，此外內部模塊還包含4個熔斷器，如表1所示。

各模塊具體選型考慮如下。

1)溫控模塊選型：為了滿足要求，經使用性能和可靠性等技術指標以及經濟性等條件綜合評估和專家把關，優選了一款工業級溫控模塊，其硬件主要技術指標如下：

①采用32位stm32處理器，功能強大，資源豐富；

②采用∑-Δ型的24位A/D轉換器ADS1256，具有8路熱電偶的接口電路；

③具有12路I/O的輸出能力；

④具有485的電路接口。

該模塊可以滿足溫度采集精度、路數的要求，也滿足加熱器路數和通信接口的要求。

表1 設備內部模塊組成

2)DC/DC電源模塊：溫控模塊的工作電壓范圍為24V±3 V，而供電電壓范圍較寬，無法滿足模塊供電要求，為此需要增加DC/DC電源轉換模塊。通過分析，最終確定采用DC/DC隔離電源，在輸入18～36 V的電壓范圍內，確保輸出電壓穩定為24 V。模塊所需功率為1 0W，尺寸為50.8×25.4×11.2 mm，工作溫度范圍為-40～95 ℃，主備份各1塊，可同時為溫控模塊、固態繼電器、電磁繼電器等模塊實現供電。

3)繼電器模塊：智能化控溫設備中為滿足高頻的控溫周期和控溫回路保護需要分別選取固態繼電器和電磁繼電器兩種類型，其中固態繼電器工作電壓24 V，最大工作電流38 mA，開關壽命1 000萬次，最大工作頻率≤5 kHz；電磁繼電器由TC-8溫控模塊輸出進行控制，+24 V供電，低電平觸發，此繼電器為常閉狀態，當加熱回路發生故障時，由備份回路發送指令將故障回路關閉，從而實現故障排除。

4)熔斷器模塊：因智能化控溫設備電路直接連接總體的供電母線，為保證總體電源的安全性，在智能化控溫設備內部出現短路時能夠及時斷開電路，對每一個回路均增加1個熔斷器模塊(保險絲)，考慮到機載環境震動較大，選用了一種工業上可靠性較高的保險絲，型號為LF03，熔斷電流3A。

為了緩解空間緊張因素影響，使控溫設備盡量小型化，設備內部器件采用上下面對側布置的方式，控溫模塊、電源模塊及繼電器均通過螺釘固定在鋁合金襯板上，且灌膠加固。熔斷器質量較輕，通過粘接方式固定在襯板上，如圖2所示。

圖2 智能化控溫設備內部器件排布圖

2.2 軟件設計

鑒于智能化控溫設備硬件充分采用模塊設計，相應的軟件也基于keil C和Labview兩種語言采用了模塊化編寫思路，通過主程序實現A/D采集模塊、PID自整定模塊、溫度控制模塊、MOD-BUS RTU總線模塊、參數配置模塊等相關模塊程序的控制和調用。

智能化控溫設備與器上飛控設備間通信方式為RS485，采用的是MOD-BUS標準協議，具體傳輸模式為RTU(十六進制數)傳輸。

熱控智能化控溫設備采用了兩個模塊進行溫度采集和控溫，主站通過讀取地址分別從01和02的從站數據獲取溫度數據和加熱器狀態，在加熱器故障無法關閉的情況下，通過往寄存器寫數據的方式，關閉與加熱器串聯的繼電器，從而關閉加熱器。

通訊的最小信息單位是UART字，每個UART字由10位二進制數組成，見圖3。

圖3 UART字格式

第1位：起始位(邏輯“0”狀態有效)；

第2～9位：信息位；

第10位：停止位(邏輯“1”狀態有效)。

每個UART字按低位到高位的先后順序串行傳送，對于多字節二進制數據，可分為多個UART字，按高字節到低字節先后順序傳送(例如0x55AA，則傳輸時先傳輸0x55，再傳輸0xAA)。

CRC校驗多項式如下：

校驗多項式CRC字=M(x)mod(G(x))；

其中：

M(x)為以二進制表示“數據域”的多項式；

G(x)為CRC生產多項式，G(x)=X16+X12+X5+1，初相為全1。

器上飛控設備讀取熱控智能化控溫設備數據時，向熱控智能化控溫設備發出讀取指令，含溫度數據和開關狀態數據兩種類型，具體格式如表2所示。

通過軟件設計可實現如下功能：

①單片機上電初始化，系統自檢，包括CPU狀態、RAM狀態、ROM狀態、A/D采集通道狀態、485總線狀態、加熱器配置工作狀態、加熱器PID參數，初始化期間對上述狀態進行自檢，檢測通過后，程序開始正常運行；

②在自整定狀態字置位時進行控制參數自整定，完成后自動存儲自整定參數，退出自整定狀態進入自動控溫模式；

③根據配置狀態自動進行溫度數據采集及加熱器溫度自動控制；

④接收并執行飛控設備MODBUS-RTU協議讀指令，并通過485總線將溫度數據和加熱器狀態數據發送給飛控設備；

⑤接收并執行飛控設備MODBUS-RTU協議寫指令，控制內部繼電器的開關。

表2 器上飛控設備至智能化控溫設備數據讀取指令格式

2.3 六性設計

除了上述功能性設計外，為了滿足飛行任務需求，智能化控溫設備還需按要求完成相關的六性設計。

在可靠性設計方面，嚴格按印制板組裝件硅橡膠粘固及灌封工藝要求相關標準開展智能化控溫設備組裝，包括結構加強形式、各模塊連接方式、接插件安裝方式、安裝支耳數量等，并采用GD414硅橡膠對各插件印制板進行點封，有效確保智能化控溫設備設計滿足飛行器力學環境使用條件要求。

在電磁兼容性設計方面，智能化控溫設備機殼采用了鋁合金材料，對電場或平面波有較好的抑制作用，增大干涉損耗；同時金屬材料具有足夠的厚度(2～3 mm)，可確保其在全頻段提供良好的電場屏蔽；機殼各搭接處都加工有止口，可防止直接泄漏，也有效提高了電磁兼容性；導線采用了雙絞線，導線的扭絞使其環路面積最小化，這樣電路與其周圍電纜的感應耦合干擾最小。

在防靜電設計方面，智能化控溫設備外殼具有良好的接地，設備機殼與安裝結構之間的搭接電阻滿足要求，一旦發生了靜電放電，電流可以盡快旁路入地，不會直接侵入內部電路。放電電流可以由設備外殼流入殼地，同時也可以將對周圍設備放電時形成的電磁干擾導入殼地，不會影響設備內部電路正常工作。且設計中盡量減少了設備外殼的縫隙和螺釘，使其內部電路得到了完整連續的屏蔽。

在冗余/容錯設計方面，智能化控溫設備充分采用了模塊化主備份設計，加熱回路和測溫傳感器也采用了主備份設計，且單個電加熱回路留有25%的功率余量。

在安全性設計方面，每一路加熱器都設置熔斷器進行保護，同時為了避免加熱器故障出現“長通”現象，飛控設備增加了對繼電器模塊手動寫指令，主動控制其開斷功能，可確保故障情況下安全斷開加熱回路的供電，從而保證飛行器安全。

3 系統測試與分析

3.1 仿真分析

智能化控溫設備除需實現溫度控制及采集等基本功能外，還需適應飛行器各階段的力熱環境，保障設備使用安全可靠。因此，在完成硬件設計和選型后，開展了智能化控溫設備相關力學性能仿真分析。

仿真分析采用Hypermesh軟件建立模型，后使用MSC/nastran求解，模型構造保證有限元模型與設計結構一致。考慮計算量及計算能力，建模時開展了針對性的分區處理；對影響力傳遞路徑的關鍵零部件，網格劃分加密處理；而對非關鍵部位，依據能量、剛度等效原則，保留簡化后模型對整體結構的質量和剛度貢獻，開展適當簡化。結合系統結構特點，建模時選用實體單元作為結構單元。

經過仿真分析，運輸振動最大應力為10.3 MPa，小于材料屈服極限240 MPa；最大均方根加速度大于任務要求的2.58 g，因此系統結構能承受運輸振動試驗條件。

隨機振動最大應力為123 MPa，小于材料屈服極限240 MPa；最大均方根加速度滿足總體指標要求，系統結構能夠承受隨機振動條件。

軸向沖擊響應最大應力0.012 MPa，法向沖擊響應最大應力0.021 MPa，橫向沖擊響應最大應力均發生在箱體螺釘連接處0.015 MPa，小于材料屈服極限240 MPa。

軸向施加2.2 g加速度，最大應力0.76 MPa處位于電箱殼體螺栓連接處，最大位移為0.000 2 mm；法向施加4.4 g加速度，最大應力3.89 MPa位于電箱殼體螺栓連接處，最大位移為0.001 mm；橫向施加1.1 g加速度，最大應力3.2 MPa位于電箱殼體螺栓連接處，最大位移為0.000 5 mm；因此系統安裝滿足加速度過載設計要求。

綜上分析，系統結構滿足運輸振動試驗條件、高頻隨機振動試驗條件、沖擊試驗條件和加速度過載設計要求。

3.2 環境試驗考核

產品研制生產后，為了驗證力學性能，還開展完成了相關的力學試驗，主要試驗項目包括運輸試驗、隨機振動試驗、著陸沖擊試驗和過載試驗等，目的是通過試驗驗證智能化控溫設備結構設計及工藝正確合理，具備在運輸、隨機振動狀態下承受振動干擾的能力，對加速度、沖擊試驗的承受能力，滿足指標要求。

此外，控溫設備還順利通過了高低溫試驗考核，溫度范圍為-45～+60 ℃(保持上電狀態)，溫度允差為高溫0～+5 ℃，低溫-5 ℃～0 ℃，一個循環周期2.5 h，其中高溫停留1 h，低溫停留1 h，循環1次。具體試驗剖面參見圖4所示。

圖4 智能化控溫設備高低溫試驗剖面圖

3.3 控溫及溫度采集功能測試

通過筆記本電腦上安裝控溫模塊配套調試軟件，并通過USB轉RS485轉接線纜，配合測試電源、溫度傳感器、加熱片，實現對控溫設備的功能檢測，測試內容如下：

①控溫設備上電后正常開機；

②16路測溫通道顯示數據正常；

③8路加熱通道輸出正常；

④8路故障切斷開關功能正常。

RS485指令通信功能為模塊具備，在同飛控設備聯調過程中進行相關測試。

測試結果表明，智能化控溫設備測溫、控溫以及故障切斷功能都正常。

3.4 掛飛試驗驗證

智能化控溫設備設備已完成與整器匹配測試與掛飛試驗測試，各項性能和功能均滿足要求。與器上飛控設備完成超溫保護功能測試，在設備溫度超過30 ℃時，電池加熱回路繼電器斷開，停止加熱，當隨著電池逐漸降低至15 ℃時，電池加熱回路繼電器接通，加熱回路開始工作，符合飛控設備對控溫設備的溫度控制策略。專項掛飛試驗時，溫度傳感器和加熱片均安裝到位，通過控溫設備預先設置電池控溫值為22 ℃，飛行試驗實際測試溫度值在21.8～22.3 ℃范圍內，控溫精度達到±0.3 ℃，詳見圖5所示。

圖5 飛行試驗電池實測溫度曲線

4 結束語

結合目標飛行器某專項試驗需求，開展了智能化控溫設備的自主設計、研制和試驗。經過團隊人員集智攻關、緊密協作，在有限的時間和經費約束下，通過工業級模塊化融合設計實現了預期性能和功能，高質量如期完成智能化控溫設備產品的研制和各項地面試驗考核，為目標飛行試驗的圓滿完成提供了有力技術支撐。

區別與常規電子設備研制過程，該控溫設備不是基于元器件的設計，這樣可以有效避免底層設計帶來的巨大技術風險和周期風險，實現了縮短設計周期和節約研制經費的雙重目的；將系統總線設計的思路創新應用于控溫設備單機內部設計，實現了溫控模塊、電源模塊、繼電器模塊和熔斷器模塊等不同功能模塊間的有效融合和集總控制，從而實現了控溫設備的冗余和容錯功能，提高了控溫設備的可擴展性和集成系統的可靠性；利用參數的自整定方法實現控制參數的快速自動優化，有效確保了產品控溫精度和周期，通過實際測試獲得控溫設備控溫精度高達±0.3 ℃(優于目標值±0.5 ℃)。

智能化控溫設備產品具有普適性，可應用于需要測控溫的多種場合，由于采用總線設計，可靈活的通過模塊的增減改變加熱回路控制和溫度測量的路數，滿足更為復雜的測控溫需求，可拓展應用于其他領域。