面向航空发动机红外隐身试验的热源模拟器设计

于　兵，赖小皇(江苏省航空动力系统重点实验室，南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016)



面向航空发动机红外隐身试验的热源模拟器设计

于兵*，赖小皇
(江苏省航空动力系统重点实验室，南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016)

摘要:设计了一种基于TMS320F28335的航空发动机红外隐身试验的热源模拟器。该装置通过K型热电偶感受某飞机发动机模型的温度，并通过调理电路将信号传递给DSP。通过交流电加热电阻丝以实现温度模拟，执行元件为固态继电器，通过调节通断占空比来调整输出量。基于PID控制技术实现了恒温、恒热流控制算法，并在实际环境下进行了参数整定。实验表明，该装置能实现0～1 000℃范围以内闭环温度控制，误差范围在5℃以内，该模拟装置具有模拟精度高、响应快、实时性强、稳定性好、功耗低等特点。

关键词:航空发动机;红外隐身;温度控制;恒温算法;恒热流算法

随着各种天基、空基、面基(包括地面和海面)的雷达和红外探测系统技术的发展，发动机红外隐身和雷达隐身愈发成为飞机隐身工作的关注重点。对于航空发动机来说，由于其工作温度极高，不可避免的会产生辐射，因此，如何降低发动机的红外特征信号显得尤为重要［1－2］。降低发动机高温壁面温度或降低高温壁面的表面发射率(黑度)［3－4］可采取冷却措施，但这些方法的研究需要开展大量的试验研究，探究其工作机理。然而，机理性试验不可能仅通过发动机试车台来完成，必须设计一套模拟装置来模拟发动机工作过程中的传热情况。因此，有必要设置一个或多个热源来模拟发动机的散热情况。本文提出了一种基于DSP的恒温、恒热流温度控制系统。采用一种由220V电加热电阻丝提供热源，由DSP控制固态继电器，实现电加热控制发动机模型温度场的方法，设计了针对热电偶传感原理的温度采集电路，实现了对不同工况能满足具体需要的控制策略，以达到最终对温度场进行恒温控制或者恒热流控制的目标。

1　热源模拟器总体设计

热源模拟系统主要分为发动机模型热源部分与温度采集控制部分。其中，发动机模型加热部分分别在发动机的压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、加力燃烧室安置不同阻值的电阻丝，根据发动机红外辐射能量来自高温固体壁面的机理，采用220 V电压供电加热模拟发动机的发热情况，每路电阻丝的功耗约在600 W～2．5 kW。之所以采用电加热，主要是由于其具有节能环保、方便控制器通过固态继电器进行连接，以使用PID算法对发动机模型加热快慢进行控制;核心控制模块采用DSP芯片TMS320F28335作为数据采集和控制的核心，将5路K—型热电偶采集到的温度信号作为输入，经过A/D信号放大与调理电路后直接与DSP芯片相连接，将经过放大与调理后的各路温度信号发送给DSP中的ADC转换模块转换为实际温度值以方便对温度信号进行PID算法的控制。通信接口电路采用通用的RS232串行接口与PC机相连，实现与上位机的参数通信。对控制模块而言，由于控制器采用5V电源供电而发动机模型加热电路采用220 V电源供电，为完成电源的隔离供电，保证电路的安全性，并考虑到固态继电器有着其他一些优点: (1)寿命长、可靠性高; (2)灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好; (3可实现快速转换功能，切换速度可达到几毫秒至几微妙; (4)电磁干扰小:固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。因此，我们采用固态继电器利用DSP发出的PWM控制信号来完成控制发动机模型加热快慢的功能［5－6］。系统总体设计方案如图1所示。

图1　系统总体设计方案

2　硬件电路设计

2．1核心处理器模块

由于热源模拟器的处理器需要对采集到的温度信号进行AD转换并执行PID控制算法控制PWM波形输出，考虑到成本不宜过高、运算速度较快、控制精度较高、处理器大小适中等因素，采用TI公司的TMS320F28335处理器［7］。该处理器核心电压为1．8 V，I/O电压为3．3 V，内置256 kFLASH和34 kSRAM，采用8级指令流水线，主频高达150 MHz，最高速度1 s可执行1．5亿条指令。32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC，拥有多达18路的PWM信号输出，其中6路为TI公司特有的、具备更高精度的PWM信号输出(HRPWM)，以及12位16通道ADC。保证了信号采集和处理的快速性和实时性。

本设计中将其中5路PWM输出用于控制固态继电器，8路ADC转换信号，SCI总线与电平转换芯片共同完成与上位机的通信。

2．2温度信号采集模块

模拟的发动机温度皆为较高温度，最高可达1 000℃，而测温精度应控制在5℃范围内，因此所采用的传感器为热电偶。由于热电偶的输出电压较为微弱，因此采用如图2所示的电桥及运算放大器组成的调理电路将其放大。信号调理放大电路如图2所示。

图2对输入采用一级放大，输出电压约为0．2 V～4．8 V，对应温度约为0～1 000℃，放大后的电压信号经A/D转换后送到DSP处理器。为了进一步提高温度信号的测量精度，在测量电路设计中偏置电源都采用较高精度的基准源(图2中VREF为2．5 V)，同时为了降低噪声对测量结果的影响，在电路中加了反馈电容C02。

温度信号调理电路中的热电偶信号调理电路采用一级放大器，运放采用LM358，根据运放电路特性得如下公式:

其中，V1和V2的初始值如下:

青萝向来对自己的容貌自信，但当看到女子的那张脸时，仍不免惊叹世间竟有如此美人！她看起来比自己年长不了几岁，也就十七八岁的模样，肤色白皙，面容姣好灵透，带着一种不食人间烟火的纯净和圣洁。她的身体纵然沾染了血污，她的衣服纵然残破不堪，却也丝毫不能影响到她的圣洁和美好。

将上述式(3)代入下式

计算可得该电路中T0与Vin的对应关系为:

通过代入图示电阻阻值，可以计算得到放大增益。第一级桥路的作用是在热电偶信号为零时调节电位器，从而改变V1，得到一个初始输出，使放大器在其允许的输出下限以上工作。

图2　温度信号调理放大电路

2．3 PWM温度控制模块

由于发动机模型加热部分功率较大，因此使用固态继电器(SSR)控制。SSR成功地实现了弱电信号(Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。

SSR由于是全固态电子元件组成，与“线圈—簧片触点式”继电器(MER)相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作。SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列MER不具备的优点，即工作高可靠、长寿命，无动作噪声，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，很容易用绝缘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极佳。这些特点使SSR可在航空领域得到极大的用处［8］。

该模块的工作原理具体而言是由DSP将每隔一定时间采样进来的信号经过A/D转换模块处理并通过PID控制计算出控制输出量，转化为PWM信号的占空比，再由DSP的PWM模块引脚输出相应的高低电平控制固态继电器，如果所测得的温度值比给定温度值小，那么固态继电器转变成通态进行加热升温处理，反之则转变成断态暂停加热。

图3　PWM温度控制模块

本试验中由于SSR的输出为发动机模型电加热部分，采用220 V供电，加热电阻阻值较小，介于20 Ω～80 Ω之间，每路电阻丝的功耗约在600 W～2．5 kW;输入为DSP控制部分，考虑到通常固态继电器的通断时间小于等于5 ms，试验加热的电阻丝具有一定的惯性升温时间，需要的通断频率较小，故可取周期为100 ms的PWM信号控制，又考虑到对环境温度并无特殊要求，故采用CDG1 －1DA/15A的SSR。考虑到SSR的体积及固定等因素，故本控制装置中将SSR与控制核心电路板集成到一个控制箱中并加以固定后通过航空插头将SSR的输出部分线路引出以用于和发动机模型加热电路部分进行连接。PWM温度控制模块如图3所示。

2．4串口通信模块

串口通信模块采用MAX3232收发器芯片。MAX3232具有2路接收器和2路驱动器，能够确保在120 kbit/s数据传输速率下维持RS－232输出电平，满足温度采集与控制系统与PC机间的通信速率和接口数量要求。该模块主要完成从上位机发送需要控制的目标温度值或者目标占空比给下位机并从下位机实时发送当前温度值给上位机显示的功能。

3　恒温恒热流控制方法

在面向航空发动机红外隐身试验中，恒温控制的作用在于通过PID闭环控制，使发动机温度保持在某一恒定数值;恒热流控制的作用在于在无风条件下，通过一定的占空比加热发动机，使其最终达到某一温度值。研究恒温加热的意义在于可以了解发动机的红外辐射特征，而研究恒热流加热的意义则在于可以了解发动机舱通风冷却的效果。通过这2种试验来最终达到研究降低发动机红外辐射的方法的有效性。

在基于DSP的控制系统中，使用数字PID控制器对温度进行控制。PID控制器是一种线性控制器，它将设定值与测量值之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制算法可分为位置式PID算法和增量式PID控制算法。由于位置式PID算法存在某些缺点，而增量式PID控制算法具有误动作时影响小的优点，手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。算式中不需要累加，控制增量u(k)的确定仅与最近k次采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果，因而本文选用增量式PID控制算法，经典的数字PID增量型算式为

其中Kp为比例系数、KI为积分系数、KD为微分系数。

比例环节即成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用弱，反之则越强。微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间［9－12］。

3．1恒温算法

恒温控制算法采用标准PID控制，其中重要的工作是进行PID参数调节。考虑到实际系统的工作原理较为简单，因此采用试凑的方法进行PID参数调节。调节过程中为保证较好的控制响应速度，因此先用P控制得出较好的KP参数;然后采用PI控制进一步调节KP参数和KI参数;最后引入微分环节调节KP、KI和KD参数，以最终系统达到调节要求为准。经调整后某一温度控制通道为在控制精度为5℃范围以内，恒温800℃，采用PID参数为KP= 2．2，KI= 0．2，KD=0．3的情况下，最终得到的温度曲线如图4所示。从图4可以看出，温度能在40 s后达到期望值附近并稳定，其温度误差值能保证在5℃以内，达到设计的要求。

图4　某温度通道恒温控制结果图

3．2恒热流算法

恒热流控制算法是本设计的另一个关键，其基本思路是首先通过PID闭环控制将温度稳定在某一期望温度，然后计算稳定后一段时间内(如10 s)输出控制量(PWM占空比)的平均值，最后进入开环模式，其输出控制量保持为稳定期间输出控制量的均值。流程图如图5所示。

图5　恒热流算法流程图

4　试验结果分析

发动机模型热源部分与温度采集控制部分之间的连接采用航空插头以便于连接，将控制器与发动机模型热源连接好，设定好恒温控制的目标温度值，将波特率设为38 400，选择打开串口，当通信指示标记开始闪烁之后说明上位机与下位机之间通信正常，此时给发动机模型热源供电，开始试验。试验结果如图6所示，图示为恒温控制稳定后的5路温度值曲线。

图6　温度控制及监控界面

试验结果表明:在设定的目标温度值与实际采集到的温度值之间基本能够控制在5℃误差范围以内，温度控制系统的抗干扰能力较强、稳定性较好，满足试验的要求。

参考文献:

［1］邓洪伟，邵万仁，尚守堂．飞机/发动机一体化隐身技术初探［J］．隐身技术，2010(1) : 13－17．

［2］桑建华，张勇．飞行器红外隐身技术［J］．航空科学技术，2011 (5) : 4－7．

［3］游敏聪，杜仕国，施冬梅．红外隐身涂料黏合剂的应用与研究［J］．现代涂料与涂装，2006(7) : 50－54．

［4］王雅君，徐国跃，李九芬，等．有机硅基低发射率复合涂层的热老化性能研究［J］．红外技术，2010，32(8) : 449－451．

［5］李利品，黄燕群．基于DSP控制的多路温度采集系统设计［J］．石化电气，2009，28(22) : 70．

［6］孙群，赵颖，孟晓风，等．热源式红外目标运动模拟器测控系统设计［J］．传感技术学报，2007，20(6) : 1268．

［7］TI Company．TMS320F28335 Digital Signal ControllersDataManual ［S］．Texas: TI Company，2011．

［8］冯泽，周志敏．浅析继电器的选型与应用［J］．电气开关，2004 (4) : 2－3．

［9］刘艳春，赵立双．基于增量式PID控制算法的恒温控制系统［J］．信息技术，2014(2) : 172．

［10］朱卓娅，陆士强．PTCR用温度程序控制仪的研制［J］．电子器件，1999，22(4) : 283－284．

［11］周良，黎海文，吴一辉．具有温度补偿的小型生化分析仪温度控制系统的研究［J］．传感技术学报，2008，21(11) : 1833．

［12］高峰，姬长英，王海青，等．基于自整定模糊PID的DSP温度控制系统设计［J］．科学技术与工程，2011，11(18) : 4210．

于　兵(1979－)，男，汉族，工学博士，江苏邗江人，南京航空航天大学能源与动力学院讲师，博士，主要研究航空发动机控制及测试技术，yb203@ nuaa．edu．cn;

赖小皇(1989－)，男，四川自贡人，硕士，研究方向为航空工程。

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

中图分类号:TP29

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 02－0368－05