X型液體火箭發動機試車綜合測控系統

孫 超，李 萌，董國創

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

為滿足預研液體火箭發動機測控系統[1-3]結構復雜化、控制需求的高精度、高實時、控制任務及控制對象多樣化的需求，保證發動機在研制過程的各項試驗順利進行，本文研究一種以工業控制總線控制器局域網(controller area network,CAN)[4-5]和應用層協議CANopen[6-7]為基礎架構的綜合測控系統。CAN是一種高性能、高可靠性、易開發低成本的多主總線結構，是20世紀80年代創立以來應用最廣泛的工業控制總線之一，CANopen[8-10]協議是CAN-in-automation(CiA)定義的標準之一，建立在CAN總線的物理層之上，基于CANopen協議的CAN總線與以往基于RS422總線的發動機測控系統相比，具備以下優勢：

1)CAN總線使用多主從方式工作，總線網絡中各節點可采用無損結構的仲裁方式向總線中任意節點發送數據。RS422只能工作于單主從方式，通訊方式只能按照主節點輪詢的方式進行，不利于數據通訊實時性和后期系統主節點拓展。

2)CAN總線通訊距離長，可靠性高，最多可支持110個節點，CAN總線通訊速率與距離的關系如表1所示，RS422最大傳輸距離為1 200 m，最多只支持10個接收節點，最大距離只支持最大100 kbps。

表1 CAN總線系統任意節點通訊距離與速率對應表

3)采用對通信數據編碼的方式代替地址編碼，可以使不同節點同時接收數據，使CAN總線具備通訊高實時性。

4)開發周期短，維護成本低。

本文研究的液體火箭發動機試車綜合測控系統可以滿足液體火箭發動機試車長距離、高可靠數據通訊需求，并且對于實現分布式伺服控制系統[11-13]，液體火箭發動機智能化控制[14-15]的研制具有深遠的意義。

1 綜合測控系統設計

1.1 系統結構及工作原理

測控系統[16]由試驗臺、控制器和電源模塊構成，其中試驗臺包括工業控制計算機、CAN通訊模塊組成；控制器包括伺服驅動器、直流電源模塊、LVDT線性位移傳感器；電源模塊為28 V/5 A直流電源和220 V電源。測控系統的控制對象為滾軸絲杠機組，滾軸絲杠機組是交流永磁同步電機旋轉位移和燃氣分流閥線性位移之間的轉換和傳動裝置，滾軸絲杠機組的線性位移對應燃氣分流閥的開度位置，控制器通過改變滾軸絲杠機組的線性位置從而改變燃氣分流閥的開度，最終調節發動機推力大小，系統結構及工作原理如圖1所示。

圖1 系統結構及工作原理圖Fig.1 System architecture and working principle diagram

1.2 系統功能模塊

本文所述的綜合測控系統按照系統功能主要分為：

1)燃氣分流閥開度位置及速度控制功能。可根據用戶的控制指令控制伺服電機的位置和速度從而達到控制燃氣分流閥開度的目的。

2)實時運動數據監測及存儲功能。可在燃氣分流閥動作過程中實時上傳位置、速度、電流等重要過程數據并存儲。

3)伺服驅動器參數管理功能：查詢或更新伺服驅動器的重要參數，例如電機加速度、PID參數等。

4)燃氣分流閥開度自動時序控制功能：主要是針對試車過程中分流閥的開度時序控制，預配置開度值與時刻的序列表，待啟動信號觸發后自動執行對燃氣分流閥的開度控制。

5)系統故障監測及保護功能：監測伺服驅動器電壓、電流等參數信息，設置燃氣分流閥位置及轉速超差保護功能，避免損壞控制對象機械結構。

6)人機界面交互功能。主要指運行與工業控制計算機中的綜合控制軟件可響應用戶輸入的操作指令和參數值，并發送至控制器完成相應的動作。

2 綜合測控系統軟件設計

2.1 CANopen協議在試車測控軟件中的應用

2.1.1 運動控制子協議DSP402及其應用

伺服驅動器嵌入式軟件中使用了標準伺服運動控制子協議DSP402[17-18]，該協議是工作狀態跳轉的控制流程，其運動控制狀態機如圖2所示。

圖2 DSP402控制狀態機Fig.2 The control state machine of DSP402

在發動機燃氣分流閥早期研制階段，使用綜合測控系統進行分流閥開度調節時需要實時監測分流閥開度位置，分流閥開度位置到達開度限位時，需要立即控制伺服電機停止動作，避免損壞分流閥整體機械結構，綜合測控軟件使用DSP402運動控制子協議控制狀態機進行設計，在驅動器監測到電流過流后，立即執行“錯誤”處理策略，驅動器立即中斷電機控制使能信號，控制電機停止轉動。

2.1.2 CANopen協議模型及其應用

CANopen設備包括通訊模型、對象字典、應用程序3部分[19-20]，如圖3所示。其中對象字典是設備與設備之間進行交互的接口，提供了完全訪問應用程序的途徑。通訊模型指CANopen網絡中的通訊消息(報文)的內容和功能，主要分為：管理報文、特殊功能對象、服務數據對象SDO及過程數據對象PDO[21-23]。

圖3 CANopen設備組成Fig.3 Equipment composition of CANopen

本文所述的試車綜合測控系統的核心任務之一是通過長距離可靠數據通訊控制伺服電機按照既定的工況時序點序列(指令位置—時間)執行動作,從而達到調節控制燃氣分流閥出口壓力的目的。

在完成此任務時，需要保證控制指令響應延時小于10 ms，同時需要在試驗過程中以20 ms周期上傳電機實際位置、電機實際轉速、電機母線電流及電壓等過程數據，以實現對試車現場被控對象的監測及故障保護。為完成上述的過程數據的同步實時傳輸并保證控制指令實時響應，使用CANopen協議獨特的數據字典及PDO/SDO數據通訊方式可以高效完成此項任務。

2.1.3 數據字典的應用

在進行力矩特性分析試驗過程中，由于伺服電機帶負載特性需要進行試驗驗證，因此綜合測控軟件需要根據試驗時電機負載特性實時更改伺服驅動器的運動控制參數。CANopen協議的數據字典可以使用標準的伺服控制協議對伺服驅動器的運動參數進行在線下載/上傳，實現試驗過程中對伺服電機轉速、加速度、母線電流保護等參數的在線更新，以滿足研制階段不斷變化的負載特性對于運動控制參數的要求，其使用方式如圖4所示。

圖4 數據字典在測控系統中的應用Fig.4 Application of object dictionary in measurement and control system

2.1.4 SDO和PDO對象的應用

服務數據對象SDO通過索引和子索引訪問服務器對象字典，通訊采用請求/應答的方式，作為參數配置、信息查詢的方式，具體實現方式如圖5所示。

圖5 SDO服務數據對象報文發送/接收Fig.5 SDO service object message transmitting/receiving

過程數據對象PDO：通過索引和子索引傳輸實時數據，PDO映射可以實現指定數據字典數據項發送/接收，分為TPDO和RPDO，PDO數據對象的觸發方式可分為同步觸發和異步觸發方式，PDO通道傳輸數據的內容和傳輸方式均需要通過SDO對象進行預配置[24-25]，PDO通道配置方式如圖6所示。

圖6 PDO通道配置Fig.6 PDO channel configuration

本文所述綜合測控系統將試車臺和現場的CAN總線通訊數據類型分為參數類型和過程類型，參數類型數據指不需要在試驗過程中實時下載/上傳的數據，例如伺服驅動器PID控制參數、電機極對數等參數；過程類型數據指需要在試驗過程中實時下載/上傳的數據，例如電機實際位置、實際轉速、母線電壓和電流等。對于以上兩種類型的數據，參數類型數據使用SDO服務數據對象進行數據封裝和傳輸，過程類型數據使用PDO過程數據對象進行封裝并完成周期同步傳輸，SDO和PDO在綜合測控系統中使用方式如圖7所示。其中:

圖7 SDO和PDO在測控系統中的使用方式Fig.7 SDO′s and PDO′s usage in the measurement and control system

步驟①是根據PDO通道攜帶的物理數據，使用SDO對象配置PDO通道的載體數據的索引值。

步驟②使用SDO對象使能PDO通道數據的傳輸。

步驟③表示TPDO和RPDO對象傳輸的測控系統物理數據。使用這種方式可以實現過程數據實時上傳，并且數據的替換和后期維護方便，不需要更改數據通訊協議數據區的內容，只需要替換對象的索引，增強了測控系統軟件的維護性。

2.2 基于CANopen協議的綜合控制軟件

2.2.1 綜合控制軟件架構

綜合控制軟件設計按照功能劃分為前臺程序和后臺程序，前臺程序響應人機交互的指令和數據，在發送線程中響應用戶通過人機交互界面執行的操作指令，進行數據處理后按照CANopen協議要求構建CAN數據報文放入發送數據隊列，同時在接收線程中獲取伺服驅動器上傳的CAN報文并根據CANopen協議進行數據包解析，獲取伺服驅動器上傳的運動數據、狀態信息和參數值；后臺程序按照20 ms周期發送/接收CAN總線報文，發送與接收操作間隔10 ms，保證CAN總線數據交互穩定性，綜合控制軟件架構如圖8所示。

圖8 綜合控制軟件設計Fig.8 Integrated control software design

2.2.2 綜合控制軟件功能模塊

根據發動機試車功能需求，將綜合控制軟件進行了邏輯功能劃分，主要包括：機組找零模塊、動作檢查模塊、試車參數模塊、試車模塊及設備參數/信息模塊。

1)機組找零模塊

該模塊實現滾軸絲杠機組運動至機械限位點的功能，需要向伺服驅動器發送“找零”指令并對機組“找零”動作過程進行實時監測，該模塊支持找零運動模式(Home)參數在線配置。找零功能配置/啟動/停止按照伺服驅動器指令集要求進行適配，具體方式如圖9所示。

圖9 CANopen協議實現找零功能Fig.9 CANopen protocol inplements "Home" function

找零模塊使用伺服驅動器的特殊控制模式提供了試車試驗前燃氣分流閥自動調節至最小開度的功能——燃氣分流閥停留在任意開度位置時，需要將燃氣分流閥調節至最小開度。為完成此功能采用上述的電機找零控制功能，在此功能模式下電機堵轉電流門限值較小，燃氣分流閥開度在到達最小開度位置時可以立即控制電機停止轉動，避免對機械結構進行損傷。

2)動作檢查及試車模塊

動作檢查模塊能夠按照預配置的運動參數(曲線類型、指令速度、指令加/減速度)控制滾軸絲杠機組運動，并對機組運動過程進行實時數據/狀態監測。試車模塊能夠響應觸發信號后自動按照預配置的時間—位置序列控制機組完成指令位置運動，并對機組運動過程進行實時數據/狀態監測。機組按照指令位置模式配置啟動/停止按照伺服驅動器指令集要求進行適配，具體實現方式如圖10所示，試車模塊UI界面如圖11所示。

圖10 CANopen協議實現指令位置模式Fig.10 CANopen protocol implements command position mode

圖11 試車UI界面Fig.11 UI interface of trial

3)試車參數模塊

試車參數模塊提供發動機試車試驗參數管理配置接口，采用時刻—位置序列表的方式配置機組時序工況，并提供機組運動參數配置接口，是試車自動時序的設定窗口。

4)設備參數/信息模塊

設備參數/信息模塊提供伺服驅動器工作參數查看和配置模塊，包括伺服驅動器的保護參數、伺服控制參數、設備信息參數等。

3 系統功能驗證

本文所研究的綜合控制系統實物如圖12所示，該系統已經過伺服電機性能試驗、燃氣分流閥總裝、發動機液流試驗、發動機半系統聯試的驗證。系統重要參數配置為：

圖12 綜合測控系統實物圖Fig.12 Real product picture of integrated control system

1)CAN設備通信波特率[23-25]配置為250 kbps。

2)心跳周期為100 ms。

3)PDO發送/接收周期為20 ms，SDO發送/接收周期為20 ms。

4)電機控制采用位置環控制模式。以下是應用綜合控制系統的試驗結果，各控制性能指標完全滿足系統要求。

3.1 CAN總線重要參數

綜合測控系統關于CAN總線通訊的重要參數如表 2所示，主要包括CAN通訊波特率、心跳周期、PDO通訊周期、SDO通訊周期等參數。根據發動機試驗臺環境需求，在綜合測控系統過程中必須使用長度150 m的電纜，CAN通訊使用500 kbps波特率出現總線數據阻塞，數據通訊異常現象，因此將波特率配置改為250 kbps，能夠滿足發動機試車的通訊速度需求。

表2 系統重要參數

3.2 伺服控制性能指標

根據試車試驗數據分析，線性位移伺服機組的指令位置響應曲線如圖13所示，實際位置曲線與指令位置曲線基本重合，指令速度響應曲線如圖14所示，實際速度曲線與指令曲線基本重合。位置和速度誤差曲線分別如圖15和圖16所示。

圖13 位置響應曲線Fig.13 Position response curve

圖14 速度響應曲線Fig.14 Speed response curve

圖15 位置誤差曲線Fig.15 Error of position curve

圖16 速度誤差曲線Fig.16 Error of speed curve

位置和速度誤差如表 3所示,位置控制誤差為0.003 mm，控制精度小于1%，完全滿足位置控制的需求；速度控制誤差為0.014 mm/s，控制精度小于0.5%，完全滿足速度控制的需求。

表3 位置和速度誤差

4 結語

本文詳細論述了基于CANopen協議的綜合測控系統工作原理、系統架構及軟件設計等內容，并且首次在發動機測控系統中應用。對于CANopen協議的研究和基于C/C++語言的CAN總線通訊及CANopen協議棧的開發，其通用性和易拓展性對后續發動機測控系統研發工作的推進具有研究意義和實用價值。