張聲艷 榮 剛 王健康 劉 飛

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

1 引 言

電磁閥作為電液系統(tǒng)重要控制轉(zhuǎn)換元件，廣泛用于各種工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域[1]。在航天動(dòng)力系統(tǒng)中，電磁閥主要用于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管控制，通過控制電磁閥線圈的吸合和釋放來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)時(shí)間，以滿足不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射要求，從而實(shí)現(xiàn)為飛行器變軌、離軌、交會(huì)、在軌和再入初段姿態(tài)穩(wěn)定提供俯仰、偏航和滾動(dòng)控制推力。因此為了實(shí)現(xiàn)電磁閥的快速開啟與關(guān)閉，除了電磁閥線圈本身的快速響應(yīng)特性外，高可靠的閥門驅(qū)動(dòng)電路也是保證電磁閥可靠工作的必要條件。

對(duì)于電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，從結(jié)構(gòu)形式上，通常有單臂橋式、推挽式、半橋式、全橋式四種驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)形式，文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)分析了四種電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。從控制形式上，有可調(diào)電阻式、雙電壓式、脈寬調(diào)制式，文獻(xiàn)[3]中詳細(xì)分析了三種控制形式的優(yōu)缺點(diǎn)。但是上述文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路均難以滿足航天動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥高可靠及強(qiáng)實(shí)時(shí)的推力控制要求。

通常，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路一般采用雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)形式，也有三取二表決、五取三表決的設(shè)計(jì)形式[4～7]。針對(duì)某類安裝空間及重量強(qiáng)約束條件下的飛行器動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥控制，提出了一種基于互鎖雙指令控制的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案，可有效實(shí)現(xiàn)二度故障下閥門的有效開啟與關(guān)閉。

2 控制方案設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥功能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，通常控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥控制實(shí)時(shí)性響應(yīng)要求在ms量級(jí)。因此為實(shí)現(xiàn)電磁閥有效控制，且考慮體積重量等因素，動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路采用雙機(jī)組控制方案[8]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在短脈沖工作模式下，電磁閥保持開啟和關(guān)閉的時(shí)間特別短，在出現(xiàn)故障情況下，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥控制的無(wú)縫切換，設(shè)計(jì)采用主備機(jī)同時(shí)控制的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制。同時(shí)為了保證驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，采用邏輯相反的互鎖指令與串并聯(lián)設(shè)計(jì)的閥門驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動(dòng)電路控制原理如圖1所示。

圖1 雙指令與串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路控制原理圖Fig.1 Schematic of the dual command and series-parallel drive control circuit

電磁閥采用負(fù)控設(shè)計(jì)，為保證控制可靠性，對(duì)輸入驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)電路的指令進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。以A機(jī)為當(dāng)班機(jī)為例，A機(jī)DSP輸出的控制指令1經(jīng)指令鎖存、升壓電路后輸出至MOSFET(k11)，控制指令2經(jīng)邏輯取反后，再經(jīng)指令鎖存、升壓電路輸出至MOSFET(k12)，B機(jī)設(shè)計(jì)同理，然后A機(jī)、B機(jī)同時(shí)輸出指令并聯(lián)控制電磁閥。MOS管冗余控制有效指令為第一控制指令為“1”電平和第二控制指令為“0”電平有效，其中“0”電平經(jīng)邏輯取反電路處理后輸出至指令鎖存電路。

采用MOS管并聯(lián)的方式，防止了MOS管斷路失效，可以有效解決閥門無(wú)法開啟的問題。對(duì)單份驅(qū)動(dòng)電路采用兩個(gè)MOS管串聯(lián)的方式，防止了MOS管短路失效；采用邏輯相反的互鎖指令控制方式，避免了自DSP數(shù)據(jù)I/O引腳輸出到驅(qū)動(dòng)電路k11、k12、k21、k22鏈路過程中，出現(xiàn)常高電平導(dǎo)致雙MOS管導(dǎo)通，從而影響閥門不能正常關(guān)閉的問題。

2.2 指令監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥開啟線圈的監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)上一般采用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)閥門開啟時(shí)的電流，但是霍爾傳感器體積較大，對(duì)于路數(shù)較多的應(yīng)用場(chǎng)合，體積及重量不允許使用。針對(duì)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，本文在驅(qū)動(dòng)指令輸入端采用電阻分壓的形式，由于電磁閥為感性負(fù)載，加之閥門響應(yīng)時(shí)間特性，閥門驅(qū)動(dòng)電路采集電壓不能設(shè)置在電路末端，單機(jī)將采集點(diǎn)設(shè)置在指令輸入端。

當(dāng)電磁閥通電指令發(fā)出時(shí)(高電平約12V)，通過分壓電路得到的電壓理論值為4V，當(dāng)電磁閥通電指令不發(fā)出時(shí)，分壓電路得到的電壓理論值為0V，A、B點(diǎn)為主機(jī)驅(qū)動(dòng)電路指令電壓采集點(diǎn)，C、D點(diǎn)為備機(jī)驅(qū)動(dòng)電路指令電壓采集點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 指令監(jiān)測(cè)電路Fig.2 Instruction monitoring circuit

3 控制流程設(shè)計(jì)

主備機(jī)分別接收控制系統(tǒng)發(fā)送的外部輸入指令，為了避免因控制系統(tǒng)輸入的兩路控制指令不同步問題所導(dǎo)致的閥門控制脈沖展寬，設(shè)計(jì)利用DSP的雙口RAM及McBSP總線在A機(jī)和B機(jī)之間設(shè)計(jì)了通信內(nèi)總線，在每一個(gè)通信周期內(nèi)，先收到外部控制指令的一機(jī)通過內(nèi)總線將相關(guān)指令數(shù)據(jù)通過內(nèi)總線傳遞給另一機(jī)，通過內(nèi)總線接收到數(shù)據(jù)的單機(jī)不再執(zhí)行該周期內(nèi)的外部總線指令，詳細(xì)控制流程如圖3所示。

內(nèi)總線通信和外部總線通信采用中斷的方式接收，在軟件中設(shè)定使用先到中斷中的指令數(shù)據(jù)，對(duì)于后到中斷，如果指令數(shù)據(jù)中包含的幀計(jì)數(shù)與軟件記錄的幀計(jì)數(shù)相同則不予執(zhí)行。軟件對(duì)指令數(shù)據(jù)中的幀計(jì)數(shù)進(jìn)行記錄和判斷，在每一個(gè)控制周期內(nèi)，指令執(zhí)行前都比對(duì)指令數(shù)據(jù)內(nèi)幀計(jì)數(shù)和軟件記錄幀計(jì)數(shù)，指令執(zhí)行完成后都對(duì)指令幀計(jì)數(shù)進(jìn)行更新，防止漏指令的情況。設(shè)計(jì)硬件“看門狗”控制電磁閥關(guān)閉電路，當(dāng)DSP處于“跑死”或“跑飛”的情況無(wú)法正?？刂齐姶砰y時(shí)，可由“看門狗”輸出的復(fù)位信號(hào)將所有電磁閥關(guān)閉。同時(shí)，軟件可靠性設(shè)計(jì)方面，通過過程數(shù)據(jù)三模冗余設(shè)計(jì)，程序取數(shù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，選用至少兩份相同的數(shù)據(jù)，確保電磁閥控制指令能夠正確執(zhí)行。

圖3 控制流程設(shè)計(jì)Fig.3 Design of the valve control flow

4 結(jié)果分析

4.1 仿真結(jié)果分析

以150N電磁閥為例，建立Multisim仿真模型如圖4所示。由4個(gè)NMOS管組成主備驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)MOS管的柵極由不同的開啟信號(hào)控制，其中取反指令通過反相器實(shí)現(xiàn)；脈沖控制信號(hào)按照10ms控制周期產(chǎn)生，每次開啟連續(xù)工作40ms，間歇60ms后再次開啟。

設(shè)定初始條件后開始仿真，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)分別表示Q1～Q4正常開啟，圖5(b) 表示Q1～Q2開啟，Q3～Q4關(guān)閉，圖5(c) 表示Q1～Q2關(guān)閉，Q3～Q4開啟，圖5(d) 表示Q1開啟，Q2～Q4關(guān)閉。從圖中可以看出，圖5(a)～ 圖5(c)仿真結(jié)果完全相同，說明單份驅(qū)動(dòng)電路與主備驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)控制的響應(yīng)一致。

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，搭建電磁閥測(cè)試平臺(tái)，由于驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)計(jì)了電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試平臺(tái)中串入霍爾電流傳感器，監(jiān)測(cè)150N電磁閥電流開啟響應(yīng)曲線，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。可以看出，從150N 電磁閥線圈通電到閥芯動(dòng)作存在約10ms的時(shí)間，但截至線圈建立穩(wěn)定電流的時(shí)間存在30ms～40ms的滯后時(shí)間，這說明如果電磁閥線圈需工作在穩(wěn)態(tài)電流條件下，則MOS管開啟控制信號(hào)至少要大于40ms，這與仿真條件開啟40ms的高電平仿真條件基本一致。

圖4 150N電磁閥驅(qū)動(dòng)電路仿真模型Fig.4 Simulation model of the 150N electromagnetic valve drive circuit

(a)主開備開 (b)主開備關(guān) (a)Main and the backup open (b)Main open and the backup shutdown

(c)主關(guān)備開 (d)主關(guān)備關(guān) (c)Main shutdown and the backup open (d)Main and the backup shutdown圖5 150N電磁閥驅(qū)動(dòng)電路仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of 150N electromagnetic valve drive circuit

圖6 電磁閥開啟電流響應(yīng)曲線Fig.6 Current response curve of the electromagnetic valve

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥功能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)電磁閥有效控制，且考慮體積重量等因素，提出了一種基于互鎖雙指令控制的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案?；谪?fù)控驅(qū)動(dòng)原理，采用雙指令及串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)形式，建立了電磁閥仿真驅(qū)動(dòng)模型及電磁閥測(cè)試平臺(tái)，仿真及測(cè)試結(jié)果表明，可以有效的保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。