陳 丹，王 丹，王國軍

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

在航天器配電控制系統(tǒng)中，繼電器作為控制開關(guān)在載人飛船、衛(wèi)星等航天器上被廣泛使用[1-3]，為增加可靠性或進(jìn)行遙測，常采用多繼電器線圈并聯(lián)電路進(jìn)行配電控制，并采用雙二極管串聯(lián)或二極管串聯(lián)電阻的消反電路對線圈的反電動(dòng)勢進(jìn)行抑制[4]。然而，航天器研制及在軌飛行過程中，多繼電器線圈并聯(lián)電路時(shí)有各繼電器狀態(tài)不一致的現(xiàn)象發(fā)生，且多被認(rèn)為是由電磁環(huán)境干擾引起的，而對于由多只繼電器線圈并聯(lián)引起的繼電器線圈之間電磁干擾的探究較少。

目前，航天產(chǎn)品中以繼電器為控制開關(guān)的配電電路多為以微機(jī)電系統(tǒng)（micro-elctro-mechanical system, MEMS）技術(shù)為基礎(chǔ)的 MEMS繼電器電路[5-8]。MEMS技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了微小衛(wèi)星等微型航天器的發(fā)展[9-10]；但電路體積越小，對其耐受電磁環(huán)境的要求就越高，因此有必要對航天器多繼電器線圈并聯(lián)電路的可靠性進(jìn)行研究。

本文以在載人航天器的配電器研制中多次發(fā)現(xiàn)的EL215和TL26P并聯(lián)發(fā)生TL26P誤翻轉(zhuǎn)問題為實(shí)例，開展航天器多繼電器線圈并聯(lián)電路的可靠性研究。

1 繼電器互感效應(yīng)分析

典型的雙線圈磁保持繼電器如圖1所示。當(dāng)線圈①中加激勵(lì)（或去激勵(lì)）的瞬間，即線圈激勵(lì)量由0增加至額定值（或由額定值遞減至0）時(shí)，相應(yīng)產(chǎn)生的磁通Φ也隨之變化，在線圈①中產(chǎn)生自感應(yīng)電動(dòng)勢的同時(shí)，在線圈②中也產(chǎn)生互感應(yīng)電動(dòng)勢。反之，如果在線圈②中加激勵(lì)（或去激勵(lì)）的瞬間，同樣也會(huì)在線圈②中產(chǎn)生自感應(yīng)電動(dòng)勢，在線圈①中產(chǎn)生互感應(yīng)電動(dòng)勢。這就是雙線圈繼電器2個(gè)線圈在激勵(lì)（或去激勵(lì)）瞬變過程中必然產(chǎn)生的自感、互感效應(yīng)[11]。

圖1 雙線圈磁保持繼電器的自感、互感效應(yīng)Fig. 1 Schematic diagram of self inductance effect and mutual inductance effect in double-coil magnetic latching relay

2 多繼電器線圈并聯(lián)電路可靠性分析

多繼電器線圈并聯(lián)電路的典型電路形式為雙繼電器線圈并聯(lián)電路，如圖2所示。繼電器K1、K2的通指令線圈和斷指令線圈分別并聯(lián)，共用消反電路進(jìn)行反電動(dòng)勢抑制。

圖2 雙繼電器線圈并聯(lián)電路Fig. 2 Circuit structure of two relays in parallel

多繼電器線圈并聯(lián)電路可靠工作是指電路中的繼電器均能可靠動(dòng)作，即每個(gè)繼電器的線圈均正確響應(yīng)指令脈沖電流。指令執(zhí)行包含指令發(fā)出和指令結(jié)束2個(gè)動(dòng)作，在這2個(gè)動(dòng)作瞬間，接收指令的繼電器線圈進(jìn)行激勵(lì)和去激勵(lì)，而由于互感效應(yīng)，未接收指令的線圈中會(huì)產(chǎn)生互感應(yīng)電動(dòng)勢，若存在電流通路則可能導(dǎo)致電路的不可靠工作。

下面從繼電器未接收指令的線圈電流著手，分別針對相同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路和不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路進(jìn)行可靠性分析。

2.1 同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路

1）指令發(fā)出瞬間

在指令P發(fā)出瞬間，指令母線給繼電器K1與K2的線圈①、③加激勵(lì)，線圈①、③均產(chǎn)生自感應(yīng)電動(dòng)勢，同時(shí)未接收指令的線圈②、④產(chǎn)生互感應(yīng)電動(dòng)勢。為了便于分析，忽略同型號(hào)繼電器的個(gè)體差異，默認(rèn)2個(gè)繼電器的所有電參數(shù)均相同，因此，線圈②、④的互感應(yīng)電動(dòng)勢相等，指令發(fā)出瞬間線圈②、④之間沒有電流流過，2個(gè)線圈的互感電流i2、i4均匯流至消反電路，ir=i2+i4。此時(shí)，繼電器線圈并聯(lián)電路的電流流向如圖3所示。

圖3 多繼電器線圈并聯(lián)電路在指令發(fā)出瞬間的電流流向Fig. 3 Schematic diagram of the current flow (command beginning)

2）指令結(jié)束瞬間

在指令P結(jié)束瞬間，指令母線給繼電器K1與K2的線圈①、③去激勵(lì)，線圈①、③產(chǎn)生自感應(yīng)電動(dòng)勢，線圈②、④產(chǎn)生互感應(yīng)電動(dòng)勢。與指令P發(fā)出瞬間的計(jì)算類似，由于K1、K2的電參數(shù)均相同，指令P結(jié)束瞬間線圈②、④的互感應(yīng)電動(dòng)勢相等，線圈②、④之間沒有電流流過。此時(shí)，繼電器線圈并聯(lián)電路的電流流向如圖4所示。

由上可知，同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路在指令發(fā)出瞬間，繼電器未接收指令的線圈電流均匯流至消反電路，線圈之間沒有電流流過；在指令結(jié)束瞬間，繼電器未接收指令的線圈之間沒有電流流過。因此，同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路可以可靠工作。

圖4 多繼電器線圈并聯(lián)電路在指令結(jié)束瞬間的電流流向Fig. 4 Schematic diagram of the current flow (command ending)

2.2 不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路

1）指令發(fā)出瞬間

指令P發(fā)出瞬間的互感效應(yīng)仍以圖3為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，未接收指令線圈②的互感應(yīng)電動(dòng)勢為

其中，U為指令母線電壓。由式(1)可以發(fā)現(xiàn)線圈的互感應(yīng)電動(dòng)勢是呈指數(shù)函數(shù)變化的，取決于繼電器線圈的自感系數(shù)L、互感系數(shù)M和等效電阻R。同理，未接收指令線圈④的互感應(yīng)電動(dòng)勢為

為了比較這2個(gè)繼電器未接收指令線圈的互感應(yīng)電動(dòng)勢ε2、ε4的大小，將式(2)與式(3)相除，得：

可見，式(3)為關(guān)于時(shí)間t的恒大于0的指數(shù)函數(shù)?；ジ袘?yīng)電動(dòng)勢ε2、ε4不等，而ε2、ε4產(chǎn)生的電流通過消反電路進(jìn)行消反，故繼電器線圈②、④之間沒有電流流過，電路可靠。

2）指令結(jié)束瞬間

指令P結(jié)束瞬間的互感效應(yīng)仍以圖4為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，接收指令線圈①的電路為由電阻、電感組成的零輸入響應(yīng)一階電路，未接收指令的線圈②的互感應(yīng)電動(dòng)勢為

同理，未接收指令的線圈④的互感應(yīng)電動(dòng)勢為

為比較這 2個(gè)繼電器未接收指令線圈的互感應(yīng)電動(dòng)勢ε2、ε4的大小，將式(4)與式(5)相除，得：

可見，式(6)為關(guān)于時(shí)間t的指數(shù)函數(shù)?；ジ袘?yīng)電動(dòng)勢ε2、ε4不等，而ε2、ε4產(chǎn)生的電流方向不能通過消反電路消反，故繼電器線圈之間有電流流過，電路不可靠。若電路在航天器飛行過程中受到電磁干擾，擾動(dòng)作用增大繼電器線圈之間的電流，可能引起繼電器的非設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)。

2.3 實(shí)例計(jì)算

以德馳公司的EL215繼電器（作為K1）、TL26P繼電器（作為K2）為例，計(jì)算2個(gè)不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路在指令結(jié)束瞬間的互感應(yīng)電動(dòng)勢。EL215和TL26P的繼電器參數(shù)如表1所示。

表1 繼電器EL215與TL26P的參數(shù)Table 1 Parameters of EL215 and TL26P

將表1中的參數(shù)代入式(6)計(jì)算可得：

使用MathCAD工具繪制ε2/ε4隨時(shí)間t變化的曲線如圖5所示。

圖5 ε2/ε4隨時(shí)間t的變化（2個(gè)二極管串聯(lián)消反）Fig. 5 ε2/ε4 vs. time (two diodes in series as arc-restraining circuit)

由圖5可知，指令結(jié)束瞬間繼電器未接收指令線圈的互感應(yīng)電動(dòng)勢比值ε2/ε4在2 ms以內(nèi)小于1，在2 ms之后常大于1，表示繼電器EL215的互感應(yīng)電動(dòng)勢相較于繼電器 TL26P的互感應(yīng)電動(dòng)勢先小后大。繼電器線圈并聯(lián)電路中未接收指令線圈②、④的互感應(yīng)電動(dòng)勢在線圈之間進(jìn)行電流泄放，圖4中電流i2、i4表示指令結(jié)束瞬間EL215互感應(yīng)電動(dòng)勢大于繼電器 TL26P互感應(yīng)電動(dòng)勢的電流流向。若未接收指令線圈④通過的電流幅值、持續(xù)時(shí)間滿足繼電器K2的動(dòng)作條件，將使繼電器K2的觸點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生非設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電路的不可靠。若電路在航天器飛行過程中受到電磁干擾使繼電器線圈之間的電流增大，也可能引起繼電器的非設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)。

上述計(jì)算是按照消反電路為 2個(gè)二極管串聯(lián)進(jìn)行的；航天器常用的另一種消反電路為二極管串聯(lián)電阻的電路形式，見圖6。

圖6 二極管串聯(lián)電阻消反的不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路Fig. 6 Multi-relay parallel circuit with a diode in series with a resistance as arc-restraining modell

此種電路形式的計(jì)算過程與上述計(jì)算類似。仍以德馳公司的EL215繼電器并聯(lián)TL26P繼電器為例，設(shè)定消反電路電阻R為50 Ω。繼電器未接收指令線圈的互感應(yīng)電動(dòng)勢比值為

使用MathCAD工具繪制ε2/ε4隨時(shí)間t變化的曲線如圖7所示。

圖7 ε2/ε4隨時(shí)間t的變化（二極管串聯(lián)電阻）Fig. 7 ε2/ε4 vs. time (a diode in series with a resistance as arc-restraining circuit)

可見，圖7與圖5波形基本一致，也存在未接收指令線圈④發(fā)生非設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)的可能，電路仍然不可靠。

3 電路優(yōu)化

如2.2節(jié)所述，不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路在指令結(jié)束瞬間，由于繼電器動(dòng)作時(shí)間不一樣，較靈敏的繼電器（互感電動(dòng)勢小、動(dòng)作時(shí)間短）存在誤翻轉(zhuǎn)的隱患。為此本文對不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路進(jìn)行了優(yōu)化，在繼電器線圈前串接二極管，二極管的陽極接指令母線，陰極接繼電器線圈，其電氣原理如圖8所示。

圖8 線圈串接二極管的多繼電器線圈并聯(lián)電路Fig. 8 Multi-relay parallel circuit with a diode in series with a coil as arc-restraining model

P指令發(fā)出、結(jié)束瞬間，線圈②、④之間的電流通過二極管D2、D4進(jìn)行截止；Q指令發(fā)出、結(jié)束瞬間，線圈①、③之間的電流通過二極管 D1、D3進(jìn)行截止，且串聯(lián)二極管D1～D4不影響電路正常接收指令以及消反。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用2.3節(jié)計(jì)算實(shí)例中的繼電器EL215、TL26P對優(yōu)化后的不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路的可靠性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)首先抓取優(yōu)化前電路（電路形式與圖3保持一致）在指令發(fā)出過程中繼電器TL26P線圈③、④的電流波形見圖 9、圖 10所示。可以發(fā)現(xiàn)，在指令發(fā)出瞬間和指令結(jié)束瞬間，繼電器 TL26P的線圈④均有電流流過：在指令發(fā)出瞬間，由于線圈③的電流保持在一個(gè)常值的工作電流，所以線圈④的電流不會(huì)造成繼電器 TL26P非設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)；而在指令結(jié)束瞬間，線圈③的電流為0，因此線圈④通過的電流就有可能造成繼電器TL26P非設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)，電路不可靠。

圖9 繼電器TL26P線圈③電流波形圖（優(yōu)化前電路）Fig. 9 Current wave flowing through coil③ of TL26P(original circuit)

圖10 繼電器TL26P線圈④電流波形圖（優(yōu)化前電路）Fig. 10 Current wave flowing through coil④ of TL26P(original circuit)

然后對按照第 3節(jié)優(yōu)化方案進(jìn)行了優(yōu)化的電路進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，抓取指令發(fā)出過程中繼電器TL26P線圈③、④的電流波形見圖11、圖12所示。

可以發(fā)現(xiàn)，線圈串聯(lián)二極管后，繼電器TL26P的線圈④僅在指令發(fā)出瞬間有電流流過，在指令結(jié)束瞬間無電流流過，杜絕了繼電器 TL26P發(fā)生非設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)的可能，電路可靠。

圖11 繼電器TL26P線圈③電流波形圖（優(yōu)化電路）Fig. 11 Current wave flowing through coil③ of TL26P(optimized circuit)

圖12 繼電器TL26P線圈④電流波形圖（優(yōu)化電路）Fig. 12 Current wave flowing through coil④ of TL26P(optimized circuit)

5 結(jié)論

本文對航天器多繼電器線圈并聯(lián)電路進(jìn)行了可靠性分析，以及電路優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）在并聯(lián)繼電器線圈采用相同的消反電路的條件下，同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路在指令發(fā)出至結(jié)束全過程可以可靠工作。對于不同型號(hào)繼電器線圈并聯(lián)電路，由于繼電器的動(dòng)作時(shí)間不一樣，指令脈沖下降沿瞬間，較靈敏的繼電器（如TL26P）有發(fā)生翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2）可通過在繼電器線圈前串聯(lián)隔離二極管，來消除由互感電動(dòng)勢大、動(dòng)作時(shí)間長的繼電器（如EL215、3JB20等）在指令結(jié)束瞬間所產(chǎn)生的感應(yīng)電流對靈敏繼電器的干擾。

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