热电池地面模拟平台的研制

李　强,屠子美(.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海0040; .上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海009)

热电池地面模拟平台的研制

李强1,屠子美2
(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240; 2.上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海201209)

摘要:针对导弹控制舱研制和试验的需要,设计了一套热电池地面模拟平台。该系统基于虚拟仪器技术,使用PX I平台,采用LabVIEW软件设计,能够监测和记录热电池点火放电时的电压电流曲线,并能够提供瞬态高输出功率,以模拟热电池的真实点火情况。

关键词:虚拟仪器;PXI;热电池;LabVIEW;地面模拟

0　引言

热电池是采用一种在常温下为非导电固体无机电解质,在一定热量作用下使固体电解质盐熔化、电池激活放电的固体电池。热电池具有大功率放电、高比能量、高比功率、使用环境温度宽、储存时间长、激活迅速可靠、结构紧凑等特点,主要用于炮弹、导弹、火箭、炸弹、干扰机及鱼雷等军工产品的系列电源中[1-2]。近年来,随着保温技术和材料技术的发展,热电池逐步成为近程、中程导弹武器系统的主要电源和舵机电源。

在某型号导弹控制舱的研制和试验过程中,需要热电池点火放电。热电池是一次性使用的贮备电池,使用成本非常高[3]。因此,设计一种能模拟热电池点火放电的设备平台具有重要意义。

本项目研制的热电池地面模拟平台主要用于对热电池点火放电时的电流、电压曲线进行监测和记录,并能够提供瞬态高输出功率,以模拟热电池的真实点火情况。

1　总体设计

热电池地面模拟平台基于虚拟仪器技术[4],使用模块化扩展的PXI平台进行开发,以保证信号测试和控制的准确性与精确性。

系统架构如图1所示。系统包括测试设备、测试适配器等,通过测试适配器的对外接口与被测对象相互连接。

图1　系统架构图Fig.1　Structure diagram of system

测试设备主要包括PXI平台和大功率电源。PXI平台由PXI机箱、PXI控制器、模拟信号采集模块、模拟信号输出模块等部分组成,主要负责热电池点火放电时电流、电压信号的采集记录和控制大功率电源以模拟热电池真实点火情况。

测试适配器负责系统内、外部的信号调理及信号互联。系统对外接口主要是两个航空接插件。当系统用于监测和记录热电池点火放电时电压、电流曲线的功能时,一个接插件使用专用电缆连接热电池,另一个接插件使用专用电缆连接控制舱;当系统用于模拟热电池真实点火情况的功能时,一个接插件使用专用电缆连接大功率电源,另一个接插件使用专用电缆连接控制舱。

试验时,系统首先对各型号热电池点火放电时的电流、电压曲线进行监测和记录,并进行分析和数据处理,提取有效的试验曲线。后续在控制舱的研制及试验过程中,就可以使用这些曲线去模拟热电池的点火情况而不需要使用真实的热电池。

2　硬件设计

2.1PXI平台

本系统PXI平台基于NI的高带宽PXI机箱和高性能PXI控制器组建。

PXI机箱选用NIPXIe-1071,它具有3个混合插槽,在0∼50◦C的温度下,总功率达230W,每插槽为高达1 GB/s的专用带宽和3 GB/s的系统带宽,质量只有5.94 kg。紧凑而轻巧的组成结构非常适合将安装的封装缩减至最小。每个插槽都接受PXI Express模块或可兼容标准PXI混合总线的模块,满足系统高性能测试测量和可扩展化的需求。

PXI控制器选用NIPXIe-8108,它是基于IntelCore2DuoT9400的高性能嵌入式控制器,可用于PXIExpress和CompactPCIExpress系统,配有2.53GHz双核处理器、800MHz DDR2内存和6MB 的L2超高速缓存,具有10/100/1000BASE-TX以太网,ExpressCard/34,4组高速USB、GPIB、串口,及其他I/O接口。双核处理器是NILabVIEW软件等多线程应用程序的理想选择,它可使每个应用程序将任务分配至多个线程。双核处理器可同时执行两条线程的任务,满足系统软件多线程高效执行的需求。

2.2电压、电流的采集及模拟信号采集模块

电压信号的采集直接使用模拟信号采集模块配合前置电压扩展接线盒来实现。电流信号的采集使用电流传感器配合模拟信号采集模块来实现,通过电流传感器将电流信号转换为10 V以内的电压信号,通过模拟信号采集模块的同步电压采集通道来采集信号。

模拟信号采集模块选用NIPXIe-4300。该模块具有8路同步电压采集通道,每个通道都配有16位模数转换器(ADC),以实现每通道250 kS/s(2.5×105样品/s)的同步采样,该模块包含的300 V rms(有效值为300 V)通道间CAT II隔离和3300 Vrms通道-地面5 s耐压,可保护用户和设备免受危险电压的伤害。通过TB-4300B前置接线盒,可使输入电压扩展至最高300 V,满足系统电压信号采集的需求。

电流传感器采用LEM HAS100-S型号。该传感器基于开环霍尔效应原理,采用±15 V供电,支持100 A内的电流测量,输出信号为0∼4 V,配合模拟信号采集模块满足系统的电流信号测量需求。

2.3电源控制及模拟信号输出模块

热电池点火曲线的模拟功能是通过模拟信号输出模块,利用模拟输出信号控制大功率电源进行直流和曲线输出。

模拟信号输出模块选用NIPXI-6733。每条模拟输出通道支持±10 V输出,速度达1MS/s(1×106样品/s),拥有16位分辨率以及数字触发。利用该模块,支持用户使用自定义的点火曲线或真实采集的电压电流曲线进行热电池点火模拟,实现诸如阶梯爬坡等功能。

2.4大功率电源模块

大功率电源模块主要负责功率输出,配合模拟信号输出模块模拟热电池的点火。

该模块选用AMETEK公司的Sorenson SGA 10 kW 3U机架式可编程电源。SG系列的核心是一个5 kW模块式电源。根据输出电压的不同,1∼6个模块可以配置在单个机箱内来组合提供5∼30 kW的功率。该电源输出电压高达100 V,输出电流高达100 A,输出交流纹波电压V p-p≤150mV,具有过压过流保护功能。该电源支持GPIB控制功能,也可以使用0∼5 V或0∼10 V的模拟电压信号进行控制。本系统对电源输出曲线的实时性要求高,至少需要达到0.3 s内60 V的变化,输出波形时间要求长,至少达到120 s的连续曲线输出。受限于软件定时和连续调用GPIB读写速度的影响,系统采用模拟信号控制方式来生成工作曲线。使用的模拟信号输出模块支持硬件定时,高速的更新率保证了模拟信号曲线稳定连续的输出,同时控制电源生成的波形也满足了系统需求。

3　软件设计

3.1软件平台

系统软件基于LabVIEW软件平台和LabVIEW报告生成工具模块进行开发,运行环境为Windows XP或更高版本操作系统。LabVIEW是高效图形化应用开发环境,结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言的优势[5]。用于M icrosoftOffice的LabVIEW报告生成工具包是一个灵活易用的VI库,可通过LabVIEW编程创建和修改M icrosoftWord和Excel报告。

图2　软件架构图Fig.2　Structure diagram of software

3.2软件架构

系统软件采用基于队列的动态多功能生产者消费者架构[6],由用户管理、系统配置、数据采集、模拟仿真、系统自检及数据管理等模块组成,数据采集、模拟仿真等模块作为单独的线程执行。软件架构如图2所示。

用户管理模块包括用户登录和用户账户、密码和权限等信息的管理,完成系统登录及用户管理功能。系统配置主要配置系统参数,包括采样率、电源控制模式、电流过流值等。配置完成后,可以将当前配置信息保存为文件形式,也可以选择保存的历史配置文件,将其配置参数调入本程序中。

数据采集模块负责采集并保存电压、电流信号数据,并显示实时采集数据的当前值等。采集的电压、电流信号分别在波形图表中显示,并同时显示当前采集到的信号实时值。模拟仿真模块控制电源输出直流/波形电压信号,并可进行信号显示、电流限流、过流报警等相关操作。

系统自检模块用于对板卡设备进行自检,自检错误生成故障报告、查看历史故障记录信息等文件。数据管理模块用于回放采集的电压、电流信号数据,并可将数据波形打印、保存。

3.3软件操作

软件启动后,首先进入用户登录界面,输入正确的用户名和密码方可进入操作主界面。进入主界面后,可以选择系统配置、数据采集、模拟仿真、数据管理、系统自检等功能,选择后进入相应功能的操作界面。软件具有良好的人机对话界面,采用基于队列的动态多功能生产者、消费者架构及多线程处理,故人机界面操作性强、响应快。软件运行流程如图3所示。

图3　软件流程图Fig.3　Flow chartof software

3.4实验曲线

部分实验曲线如图4所示。其中,电源控制输入电压曲线是需要模拟的一组原始曲线,电源输出电压曲线是实际输出曲线,通过对比,两者保证一致。

4　结语

该热电池地面模拟平台采用PXI平台,基于虚拟仪器技术设计,能够采集热电池放电时的各种信号,并能够模拟热电池放电状态,同时具有测试数据的分析管理和报告自动生成功能,为控制舱的研制和试验提供了良好的模拟仿真环境。

另外,系统采用模块化结构,开放程度高、扩展性强、易拆卸,方便后续的维护和升级,在实际使用中运行良好,仿真输出与真实点火情况相符。

参考文献:

[1]王传东.热电池发展综述[J].电源技术,2013,37(11): 2077-2079.

[2]兰伟,宋学兵,刘效疆.热电池热模拟研究[J].电源技术, 2012,36(1):88-90.

[3]刘正国,刘唯,鲍俊.导弹热电池参数自动化测控系统[J].自动化仪表,2005,26(10):51-53.

[4]贾惠芹.虚拟仪器设计[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[5]BISHOPRH.LabVIEW 8实用教程[M].北京:电子工业出版社,2008.

[6]BLUMEPA.The LabVIEW stylebook[M].UpperSaddle River:Prentice Hall,2007.

中图分类号:TP336

文献标志码:A

文章编号:1001-4543(2015)01-0056-04

收稿日期:2014-11-23

通讯作者:屠子美(1989–),女,浙江上虞人,硕士,主要研究方向为图像处理。电子邮箱zmtu@sspu.edu.cn。

Developmentof Hot-Battery Ground Simulation Platform

LIQiang1,TU Zi-mei2
(1.Schoolof Electronic Information&Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,P.R.China; 2.Schoolof IntelligentManufacturing&ControlEngineering,ShanghaiSecond Polytechnic University, Shanghai201209,P.R.China)

Abstract:According to the need of developmentand testofmissile control cabin,hot-battery ground simulation platform isdesigned. Based on virtual instrumentation technology,PXIplatform and LabVIEW software,the system canmonitorand record the currentand voltage curve during ignition and discharging of hot-battery,and can provide transient high output power and simulate real ignition conditionsof hot-battery.

Keywords:virtual instrumentation;PXI;hot-battery;LabVIEW;ground simulation