(北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

航天器在太空中運行的姿態(tài)和軌道，需要根據(jù)其狀態(tài)變化情況和任務(wù)執(zhí)行指令進行即時控制，而執(zhí)行其控制任務(wù)的就是姿軌控動力系統(tǒng)。隨著航天技術(shù)的進步和發(fā)展，對姿軌控發(fā)動機快響應(yīng)要求越來越高，姿軌控發(fā)動機響應(yīng)時間包括推力室燃燒響應(yīng)時間和電磁閥開關(guān)響應(yīng)時間[1]，其中電磁閥開關(guān)響應(yīng)時間占到較大部分，因此提高電磁閥開關(guān)響應(yīng)性能可以提高姿軌控發(fā)動機響應(yīng)性能，從而提高航天器的姿態(tài)及軌跡的控制精度。

某型號姿軌控發(fā)動機要求快響應(yīng)、高精度控制值，姿軌控發(fā)動機關(guān)閉響應(yīng)時間要求小于20 ms，但在電磁閥與驅(qū)動電路匹配液流試驗時，發(fā)現(xiàn)：該型號用姿軌控發(fā)動機關(guān)閉時間遠大于20 ms，為了提高發(fā)動機的快速響應(yīng)，縮短發(fā)動機的關(guān)閉時間，提出了一種基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路。

1 電磁閥的電器原理

電磁閥工作的原理是由電流在通電線圈中產(chǎn)生磁力使電磁閥內(nèi)的活動電磁鐵被吸引而運動。當達到電磁閥觸動電流時，電磁線圈產(chǎn)生磁力帶動銜鐵動作，使電磁閥開啟；切斷電磁閥供電，電磁鐵電流下降，當?shù)陀陔姶砰y釋放電流時，由于電磁力消失，銜鐵受彈簧力作用復位，關(guān)閉電磁閥[2]。因此，電磁閥開啟響應(yīng)時間包括電磁鐵電流上升時間和銜鐵運動時間，電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間包括電磁鐵電流下降時間和銜鐵復位時間。銜鐵運動間隙小，運動速度快，所用時間極短，而電磁鐵是電感元件，具有很強的電磁慣性，電流變化不能一蹴而就，因此，電磁閥開關(guān)響應(yīng)時間與其電流上升下降所需時間密切相關(guān)。

為了滿足電磁兼容的要求，消除反向電動勢對電路的影響，以往通常采用二極管對電磁鐵電感上的電流進行放電[4]，并對反向電動勢進行鉗位，電流釋放曲線及反向電動勢波形示意圖如圖2所示。其中，I0為電源關(guān)斷后電磁鐵回路中的電流初始值，i0為電磁閥釋放觸動電流，tp為電磁閥關(guān)閉時的釋放時間，U為電源電壓，-U1為反向電動勢鉗位電壓。

圖1 電磁閥電路原理圖

圖2 電磁鐵關(guān)斷電流及反向電動勢圖

采用Altium Designer軟件，根據(jù)圖1電路設(shè)計要求，使用原理圖編輯器繪制仿真電路原理圖，設(shè)置仿真元件參數(shù)，使用場效應(yīng)晶體管模擬固態(tài)繼電器開關(guān)功能，通過電感-電阻組合模擬電磁閥的電氣特性，設(shè)置電感為350mH，電阻為36Ω，雙閥并聯(lián)，在電路中串入0.25 Ω采樣電阻用于模擬實際電路中數(shù)據(jù)采集。選用脈沖電壓激勵源VPULSE提供周期性的連續(xù)脈沖激勵，用于模擬實際電路中的激勵信號，脈沖電壓設(shè)為27 V、脈沖寬度設(shè)為100 ms脈沖周期為200 ms。在采樣電阻端設(shè)置節(jié)點網(wǎng)絡(luò)標簽V1，在電磁閥供電正端設(shè)置節(jié)點網(wǎng)絡(luò)標簽V2，用于測試電磁閥反向電動勢及電磁閥工作電流波形。通過在原理圖編輯環(huán)境中，執(zhí)行“設(shè)計”→“仿真”→“Mixed Sim(混合仿真)”命令，選擇仿真方式并設(shè)置仿真參數(shù)，復選靜態(tài)工作點分析(Operating Point Analysis)和瞬態(tài)特性分析(Transient Analysis)，設(shè)置顯示周期數(shù)(Default Cycles Displayed)為1，每周期仿真點數(shù)(Default Points Per Cycle)為50[5-7]。執(zhí)行仿真命令對該電路進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 電路仿真結(jié)果

圖中電磁鐵釋放時間tp約為30 ms，反向電動勢鉗位電壓U1約為2 V，該電磁閥釋放時間tp，未包含電磁鐵動作時間，實際時間將大于理論分析。因此，該電路雖然有效地控制了電磁閥關(guān)斷時產(chǎn)生的反向電動勢，但其釋放時間無法滿足要求。

2 加速釋放電路的研究

2.1 外部增加釋放電阻法

根據(jù)圖1電路原理分析計算，當電磁閥斷電后，電磁鐵中的電流不能突變，而由于釋放電路的存在，給電磁鐵提供了電流釋放回路，根據(jù)電感電路的過渡過程可知，電源U關(guān)斷后，釋放回路中的電流i為：

(1)

當瞬時電流i降到電磁閥釋放觸動電流i0時，電磁閥開始釋放，則有釋放時間tp：

(2)

其中:r、L、i0均取決于電磁閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電磁閥設(shè)計完成后這些參數(shù)均已固定；I0取決于供電電源U，設(shè)為定值；因此，由公式(2)可見，釋放時間tp與外部等效電阻R成反比關(guān)系，R越大，tp越小，即釋放時間越短。

根據(jù)以上分析，使用二極管D1和電阻R組成釋放電路，電路原理圖如圖4所示。

圖4 增加釋放電阻原理圖

釋放電阻R分別選取為47 Ω和92 Ω，并進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 增加釋放電阻的改進電路仿真結(jié)果(R=47 Ω)

圖6 增加釋放電阻的改進電路仿真結(jié)果(R=92 Ω)

對兩圖中仿真結(jié)果進行對比分析，見表1。當釋放電阻R=47 Ω時，電磁鐵的釋放時間為15 ms，反向電動勢為70 V；當釋放電阻R=92 Ω時，電磁鐵的釋放時間為10 ms，反向電動勢為130 V。由仿真結(jié)果可以看出，增加的釋放電阻越大，電磁鐵釋放時間越短，但反向電動勢則越大。

表1 不同釋放電阻R的仿真結(jié)果對比

2.2 基于雙向TVS的加速釋放電路

分析以上仿真結(jié)果可以看出：在電磁閥釋放初期，電流變化速率極快，反向電動勢突變；后期隨著電流變化速率減慢，反向電動勢也相應(yīng)減弱，整個釋放時間中電流釋放后期占比較大。以增加釋放電阻R=47 Ω的改進電路仿真結(jié)果(圖5)為例，在t=100 ms時，反向電動勢突變?yōu)?0 V，到t=105 ms之間變化極快，降為4 V左右，在t=115 ms時才逐步變?yōu)? V；由此可見，電流釋放前期用時約為5 ms，后期用時約為10 ms。因此，將改進設(shè)計思路確定為：在電流釋放初期限制反向電壓，在電流釋放后期增大釋放回路電阻。我們設(shè)計了一種基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路，原理如圖7所示。

圖7 基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路原理圖

圖8 雙向TVS的V-I特性曲線

TVS即瞬態(tài)電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor Diode)，是在穩(wěn)壓二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是一種二極管形式的新型高效能的保護器件。TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管分為單向TVS管和雙向TVS管，單向TVS管只對一個方向的浪涌電壓的沖擊起到保護作用，雙向TVS管對兩個相反方向的浪涌電壓的沖擊都能起到保護作用，相當于兩只穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)。具有響應(yīng)速度快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、鉗位電壓易控制、體積小等優(yōu)良的防護性能。單向TVS管多用于直流和已知方向的信號電路，雙向TVS管多用于交流和變化的信號電路，TVS陣列多用于多線保護[8]。本文選用的是雙向TVS管。

它的工作原理是：在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓鉗制到預定水平，從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞[9]。TVS管能承受的瞬時功率可達上千瓦，其鉗位響應(yīng)時間僅為1ps(10-12s)。TVS允許的正向浪涌電流在TA=25 ℃、t=10 ms條件下，可達50～200 A。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓鉗制到預定水平。雙向TVS的V-I特性曲線如圖8所示[10]。以正向為例，當TVS管電壓為反偏，且位于0～VBR時，TVS管呈高電阻狀態(tài)；當反偏電壓超過VBR時，流經(jīng)TVS管的電流迅速增加，進入低電阻狀態(tài)，從高電阻狀態(tài)到低電阻狀態(tài)的延時極短，只有ps數(shù)量級。TVS管兩端電壓被鉗制在VC以下，當電壓脈沖過后，TVS管又重新恢復到高阻狀態(tài)。

對基于雙向TVS的加速釋放電路進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 雙向TVS加速釋放電路仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出：電磁鐵釋放時間tp約為5 ms、反向電動勢鉗位電壓U1為52 V，滿足了總體對姿軌控發(fā)動機響應(yīng)性能的要求，且有效地控制電磁閥關(guān)斷時產(chǎn)生的反向電動勢，保證了固態(tài)繼電器降額要求。

3 試驗驗證

對以上三種加速釋放電路狀態(tài)分別進行了試驗驗證，參試電磁閥為某型姿軌控動力系統(tǒng)改的200N電磁閥。

參試的加速釋放電路分別為：

1)電路1：1個二級管與R=47 Ω串聯(lián)，原理如圖4(a)所示；

2)電路2：1個二級管與R=92 Ω串聯(lián)，原理如圖4(b)所示；

3)電路3：1個雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管(雙向TVS型號為P6KE43CA)，原理如圖7所示。

電磁閥數(shù)據(jù)曲線見圖10～圖12，根據(jù)電流數(shù)據(jù)曲線及反向電動勢曲線判讀電磁閥響應(yīng)結(jié)果見表2。電路1狀態(tài)電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間為28 ms、最大反向電動勢為80 V；電路2狀態(tài)電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間為21 ms、最大反向電動勢為130 V。由于電路3狀態(tài)采用雙向TVS，電磁閥釋放時刻電流曲線的波動不明顯，故通過電磁閥出口壓力下降時刻來判斷關(guān)閉響應(yīng)，電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間為6 ms、最大反向電動勢為43 V。

圖10 電路1電磁閥電流曲線及反向電動勢曲線

圖11 電路2電磁閥電流曲線及反向電動勢曲線

圖12 電路3電磁閥電流曲線及反向電動勢曲線(關(guān)閉過程含電磁閥出口壓力曲線)

電路狀態(tài)關(guān)閉響應(yīng)性能/ms最大反向電動勢/V電路1(二級管與R=47Ω串聯(lián))2880電路2(二級管與R=92Ω串聯(lián))21130電路3(雙向TVS)643

由以上分析可知：

a)電路1與電路2會使電磁閥響應(yīng)性能提升，且響應(yīng)性能隨著串聯(lián)電阻值的增大而提升，但仍超出動力系統(tǒng)指標要求；最大反向電動勢也隨著串聯(lián)電阻值的增大而增大，不能有效地控制電磁閥關(guān)斷時的產(chǎn)生的反向電動勢。

b)電路3的電磁閥關(guān)閉響應(yīng)性能最快，達到6ms；且能夠有效地控制電磁閥關(guān)斷時產(chǎn)生的反向電動勢，保證了固態(tài)繼電器降額要求。

因此，基于雙向TVS的加速釋放電路可以滿足動力系統(tǒng)指標要求，在航天器狀態(tài)控制過程中，實現(xiàn)姿軌控發(fā)動機的快響應(yīng)，同時滿足姿軌狀態(tài)的精確控制。試驗驗證與前期通過仿真得出的結(jié)論一致。

4 結(jié)束語

通過分析、仿真及試驗驗證，通過在電磁閥驅(qū)動回路中增加基于雙向TVS的加速釋放電路，提高了電磁閥關(guān)閉響應(yīng)速度，減小了電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間，解決了某型號姿軌控發(fā)動機關(guān)閉響應(yīng)慢的問題，有效地控制了電磁閥關(guān)斷時產(chǎn)生的反向電動勢，保證了固態(tài)繼電器的降額要求。該電路設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用效果明顯，器件選擇成熟可靠，有效地節(jié)約了成本，并節(jié)省了空間。仿真分析軟件有效地仿真了電磁閥釋放過程的電流、電壓波形，作為一種有效地輔助設(shè)計手段，大大地提高了設(shè)計效率，同時通過試驗驗證，增強了設(shè)計的可靠性和可行性。該電路已在多個型號姿軌控發(fā)動機電磁閥驅(qū)動電路中得到應(yīng)用，并參加了全系統(tǒng)熱試車及飛行試驗，性能穩(wěn)定可靠。