凌思睿，曹 純，鄭 鑫

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074)

0 引言

姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于空間飛行器的姿態(tài)調(diào)整和軌道修正，通常以毫秒級(jí)的脈沖工況進(jìn)行點(diǎn)火，控制精度要求達(dá)到±0.1毫秒。在姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中，要求試車臺(tái)既能精確、穩(wěn)定地控制多路快響應(yīng)電磁閥的高速開閉，又能準(zhǔn)確地測量閥門負(fù)載電流信號(hào)，獲得電磁閥的性能參數(shù)[1-3]。為滿足姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求，試車臺(tái)測控系統(tǒng)從傳統(tǒng)的可編程控制器(programmable logic controller，PLC)逐步轉(zhuǎn)向基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PXI(PCI extensions for instrumentation)控制器[4-5]，固態(tài)繼電器的開關(guān)速度也越來越高。然而，系統(tǒng)的其余環(huán)節(jié)仍存在不少亟待改進(jìn)的問題，主要包括：①FPGA控制器的輸出電流太小，不能可靠地驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，存在漏動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)；②用于緊急備份控制的PLC控制器電平為24 V，與PXI系統(tǒng)不兼容；③檢測閥電流時(shí)串聯(lián)采樣電阻并通過分立的隔離模塊放大，成本高、精度低，等[6-8]。為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有輸入信號(hào)隔離放大、反電勢抑制和負(fù)載電流檢測等功能的固態(tài)繼電器接口電路，從而把控制器、固態(tài)繼電器、負(fù)載和數(shù)據(jù)采集設(shè)備聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體。

1 整體方案

本文設(shè)計(jì)的接口電路主要分為數(shù)字控制電路、負(fù)載電路、電流檢測電路3個(gè)部分。數(shù)字控制電路部分主要實(shí)現(xiàn)2路輸入控制信號(hào)的隔離、經(jīng)組合邏輯判斷后驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的輸入端，同時(shí)返回1路數(shù)字量供復(fù)記系統(tǒng)記錄控制信號(hào)的狀態(tài)。負(fù)載電路部分提供了共正極、共負(fù)極負(fù)載模式切換和感性負(fù)載反電勢抑制功能，并在電流通路上串聯(lián)小阻值采樣電阻供電流檢測使用。電流檢測電路部分的核心是電流檢測放大器，可將采樣電阻上的電壓放大，再經(jīng)隔離放大器隔離后，從儀表放大器輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄并計(jì)算出負(fù)載電流數(shù)據(jù)。其中數(shù)字控制電路、電流檢測電路均由外部5 V電源和DC-DC模塊提供獨(dú)立的隔離供電。

圖1 固態(tài)繼電器接口電路結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)

2.1 固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器是在半導(dǎo)體技術(shù)上發(fā)展起來的一種電子開關(guān)，與電磁繼電器相比具有開關(guān)速度快、壽命長、無抖動(dòng)和干擾等優(yōu)點(diǎn)[9]。根據(jù)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)時(shí)序的要求，本文選擇了美國快達(dá)(Crydom)公司的M-ODC5F高速直流固態(tài)繼電器，其關(guān)鍵參數(shù)為：最大開/關(guān)時(shí)間25/50 μs；輸入電壓范圍2.75～8 V，電流范圍7～18 mA；輸出端電壓范圍3～60 V，電流范圍0.01～3 A。

2.2 數(shù)字供電

數(shù)字控制電路使用金升陽B0505S-2WR2隔離式DC-DC模塊供電，其功率密度高，輸出最大電流400 mA，紋波電壓75m Vp-p，效率高達(dá)84%。需要注意的是，其輸出最小負(fù)載不能小于額定負(fù)載的10%。

2.3 控制信號(hào)隔離、邏輯判斷和放大

PXI控制器中高速FPGA模塊的輸出電平為3.3 V，最大拉/灌電流4 mA，不能滿足固態(tài)繼電器輸入最小電流7 mA的要求。此外，為了增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)可靠性，控制系統(tǒng)中的手動(dòng)操作和應(yīng)急操作一般利用PLC實(shí)現(xiàn)，其輸出電平為24 V，不能直接與PXI控制器或固態(tài)繼電器連接。為此，設(shè)計(jì)了控制信號(hào)隔離、邏輯判斷和放大電路，其原理如圖2、圖3所示。來自PXI控制器或PLC的兩路控制信號(hào)1A、1B首先分別被光耦TLP2355隔離。TLP2355是東芝公司生產(chǎn)的一種高速光耦，其最大傳播延時(shí)250 ns，輸入電流閾值為1.6 mA，能可靠地被FPGA模塊驅(qū)動(dòng)。以信號(hào)1 A為例，根據(jù)TLP2355的輸入電流范圍和正向壓降，令R1=6.2 kΩ，R2=510 Ω，則跳線K1斷開時(shí)可接受24 V電平，K1閉合時(shí)可接受3.3 V和5 V電平。光耦輸入端并聯(lián)R3=3 kΩ，可以提高光耦的抗干擾能力，防止其在干擾或前級(jí)漏電流的作用下誤導(dǎo)通。隔離后的1A、1B信號(hào)進(jìn)入或門SN74AHC1G32，對(duì)自動(dòng)和手動(dòng)控制進(jìn)行邏輯判斷?；蜷T的輸出信號(hào)1Y驅(qū)動(dòng)NXP公司生產(chǎn)的高速開關(guān)三極管PMBT2369，加速電容C1可進(jìn)一步加快三極管的關(guān)斷速度。L1、L2為2個(gè)并聯(lián)LED指示燈，冗余防止其開路導(dǎo)致失效。L3為固態(tài)繼電器的輸入端。R7=3.3 kΩ可以避免三極管漏電流導(dǎo)致的誤觸發(fā)，提高固態(tài)繼電器的抗干擾能力。當(dāng)輸入信號(hào)1 A或1 B任意一個(gè)為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，固態(tài)繼電器輸出端也導(dǎo)通。此時(shí)三極管集電極為低電平，經(jīng)過SN74AHC1G04反相為高電平后，輸出到復(fù)記系統(tǒng)。

圖2 控制信號(hào)隔離與邏輯判斷電路原理圖

圖3 控制信號(hào)放大電路原理圖

3 負(fù)載電路設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)載模式切換

在姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和空間飛行器試驗(yàn)中，經(jīng)常出現(xiàn)將多個(gè)負(fù)載的正(負(fù))端在產(chǎn)品內(nèi)部預(yù)先短接，只引出1個(gè)正(負(fù))公共端的模式，簡稱為共正(負(fù))接法。因?yàn)樵囓嚂r(shí)多個(gè)負(fù)載一般共用一臺(tái)電源，所以固態(tài)繼電器輸出端接線方式必須與負(fù)載模式一致，如圖4所示。在傳統(tǒng)用接線端子連線的控制系統(tǒng)中，每次調(diào)整都需要拆裝大量線路，非常繁瑣易錯(cuò)。本文利用三刀雙擲開關(guān)巧妙地設(shè)計(jì)了操作簡便的共正、共負(fù)接法切換電路，其原理如圖5所示，其中“負(fù)載”包含采樣電阻、反電勢抑制電路和實(shí)際負(fù)載。當(dāng)開關(guān)位于上端時(shí)，等效為共負(fù)接法；開關(guān)位于下端時(shí)，等效為共正接法。在電路板上，三刀雙擲開關(guān)功能可以用跳線帽實(shí)現(xiàn)，以保證可靠性。

圖4 負(fù)載共正、共負(fù)連接模式

圖5 負(fù)載模式切換電路原理圖

3.2 反電勢抑制

電磁閥線圈屬于典型的感性負(fù)載，從接通到斷開會(huì)在其兩端產(chǎn)生反電勢。幾種常用姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥產(chǎn)生的反電勢可高達(dá)上百伏[10]，除了會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，還超出了固態(tài)繼電器和電流檢測放大器允許的共模電壓范圍，導(dǎo)致元器件損壞。最基本的反電勢抑制方法是用一只續(xù)流二極管與線圈并聯(lián)起來，快速把反電勢鉗位。但是在快響應(yīng)電磁閥控制電路中，經(jīng)常會(huì)使用一個(gè)電阻與二極管串聯(lián)后再并聯(lián)在線圈兩端，可以加快能量泄放和電磁閥關(guān)閉速度，但也提高了反電勢。本文利用瞬態(tài)抑制二極管(transient voltage suppressor，TVS)響應(yīng)速度快的特性設(shè)計(jì)了反電勢抑制電路，如圖6所示。F1是額定電流3A的快斷保險(xiǎn)絲，L4是負(fù)載LED指示燈，其限流電阻R10可根據(jù)負(fù)載電源電壓選取。D1是續(xù)流二極管1N4007，R11為泄放電阻，在電路板上可用螺釘式壓線端子實(shí)現(xiàn)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位的要求安裝相應(yīng)阻值的電阻或者短接。TVS2選用晶焱科技的AZ6225-01F低電壓TVS二極管，其可在10A瞬態(tài)電流時(shí)將兩端電壓鉗位在5 V，有效保護(hù)了固態(tài)繼電器和電流檢測放大器，且泄放電阻的加速作用仍然有效[11]。TVS1的作用是負(fù)載接通時(shí)令本支路反向截止，本文選用型號(hào)為SMAJ54A的TVS二極管以提供額外的過壓保護(hù)，也可以用普通二極管代替。

3.3 采樣電阻

在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)中，經(jīng)常在負(fù)載回路中串入0.5 Ω，精度1%的采樣電阻，把電流轉(zhuǎn)化為電壓并隔離放大后輸出。姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥常用0.5～1.5 A的電流，需要選用高功率的水泥電阻或鋁殼電阻，其溫度系數(shù)較大，最終負(fù)載電流的測量精度只有約2%。因此，本文選用了厚聲公司生產(chǎn)的MS12系列金屬箔電流采樣電阻，阻值為10 mΩ，精度1%，額定功率3 W，溫度系數(shù)僅為±30 ppm/℃。圖6中R12為采樣電阻，注意應(yīng)將其安裝在反電勢泄放回路內(nèi)部。

圖6 反電勢抑制電路原理圖

4 電流檢測電路設(shè)計(jì)

電流檢測電路屬于模擬電路，用于測量流經(jīng)電磁閥等負(fù)載的電流，其原理框圖如圖7所示。在固態(tài)繼電器3 A的最大工作電流下，采樣電阻兩端電壓為30 mV，經(jīng)電流檢測放大器、隔離放大器和儀表放大器將其放大100倍，輸出電壓的靈敏度為1 V/A。

圖7 電流檢測電路部分原理框圖

4.1 模擬供電

電流檢測電路需要低噪聲電源來為精密放大器供電。在隔離式DC-DC模塊供電的基礎(chǔ)上，用高電源抑制比(power supply rejection ratio，PSRR)的低壓差線性穩(wěn)壓器(low-drop out，LDO)進(jìn)行后期穩(wěn)壓。根據(jù)電流檢測電路各放大器的輸入輸出范圍，選擇了德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的TPS71745型LDO芯片，輸出為4.5 V/150 mA，在100 kHz處的PSRR高達(dá)67 dB，可以有效減小開關(guān)電源產(chǎn)生的電壓噪聲。

4.2 電流檢測放大器

本設(shè)計(jì)選用TI公司的INA240A2精密電流檢測放大器，固定增益50 V/V，可將30 mV電壓放大至1.5 V。該系列器件共模電壓范圍寬至-4～80 V，具有增強(qiáng)型PWM抑制功能，可有效減小負(fù)載通斷電時(shí)共模電壓變化而產(chǎn)生的輸出瞬變及恢復(fù)紋波。其采用零溫漂架構(gòu)，輸入失調(diào)電壓為±5 μV，漂移為±50 nV/℃，輸入偏置電流為90 μA，帶寬400 kHz，輸出電壓可低至1 mV，非常適合用于精確測量姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥的電流。

4.3 隔離放大器

姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥的電源電壓通常在30 V附近，大大超出常見數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)允許的共模電壓范圍。為了確保后端設(shè)備安全，選用TI公司的AMC1311B隔離式精密放大器，其輸出與輸入電路由抗電磁干擾性能極強(qiáng)的隔離柵隔開，可提供高達(dá)7 kV的增強(qiáng)型電隔離。其輸入電壓范圍為-0.1～2 V，失調(diào)電壓為±0.4 mV，漂移為±3 μV/℃，帶寬275 kHz，具有增益為1，共模電壓約1.44 V的差分輸出，可以有效地把負(fù)載側(cè)和采集側(cè)隔離，同時(shí)保持較高的精度。

4.4 儀表放大器

由于AMC1311B為差分輸出，本文選用了TI公司的INA826儀表放大器把差分信號(hào)轉(zhuǎn)成單端信號(hào)，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。INA826的輸入失調(diào)電壓為±40 μV，漂移為±0.4 μV/℃，帶寬在500 kHz以上，是一種低成本，高性能的差分轉(zhuǎn)單端解決方案。通過精密可調(diào)電阻和固定電阻的組合把增益設(shè)置為2 V/V，最終輸出電壓為3 V。

5 布局布線

固態(tài)繼電器接口電路為數(shù)模混合電路，電磁閥又是典型的感性負(fù)載，必須仔細(xì)地處理元件布局和布線，才能把相互之間的干擾減到最低。首先，應(yīng)將數(shù)字、模擬、負(fù)載3部分元件分區(qū)域布置，并提供獨(dú)立的隔離電源和地。其次，數(shù)字地采用大面積覆銅以降低地線阻抗，模擬電路應(yīng)檢查每個(gè)芯片的對(duì)地回流路徑，盡可能使電源、信號(hào)和地線環(huán)路包含的面積小。還可以在大電流的負(fù)載電路和其他電路之間開槽分割，給敏感的電流檢測電路安裝屏蔽罩等。此外，在具體芯片的布線上還要注意：①TPS71745芯片需要特別注意把輸入、輸出和降噪電阻3個(gè)地線分開，在GND引腳處單點(diǎn)接地，否則電路不穩(wěn)定；②采樣電阻到INA240輸入端的引線應(yīng)使用開爾文連接方式，并使引線長度相同；③敏感的信號(hào)線應(yīng)盡可能短，并在1 206尺寸的去耦電容和背面地層之間穿過[12]。④INA826的增益設(shè)置電阻對(duì)寄生電容敏感，其背面不應(yīng)鋪設(shè)地層。

6 負(fù)載電流測量誤差分析

負(fù)載電流的測量精度與元件噪聲、電磁干擾、電纜阻抗等眾多因素相關(guān)，難以完全分析。其中一些誤差容易通過校準(zhǔn)、調(diào)零等手段校正。下面將只討論不可校正誤差，并統(tǒng)一折合到各級(jí)的輸入端電壓估算其影響程度。設(shè)環(huán)境溫度為25±15 ℃。

6.1 電流檢測放大器誤差分析

電流檢測放大器周邊電路中，采樣電阻誤差和增益誤差可被校正，主要引入以下不可校正誤差源：采樣電阻溫漂、運(yùn)放輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入偏置電流、增益溫漂、共模信號(hào)、輸入電壓噪聲，詳見表1～3。

表1 電流檢測放大器電路不可校正誤差估算

表2 隔離放大器電路不可校正誤差估算

表3 儀表放大器電路不可校正誤差估算

6.2 總誤差估算

根據(jù)誤差理論，認(rèn)為上述各項(xiàng)誤差之間相互獨(dú)立。求各分項(xiàng)誤差的均方根，則可估算在25±15 ℃的溫度范圍內(nèi)，測量負(fù)載電流的總不可校正誤差約為0.207 4%。其中儀表放大器的增益溫漂、增益設(shè)置電阻溫漂為主要誤差源，因此在使用過程中應(yīng)盡可能保持環(huán)境溫度穩(wěn)定。

7 測試與校準(zhǔn)

7.1 控制信號(hào)測試

用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生方波作為控制信號(hào)，示波器觀察固態(tài)繼電器輸入端和復(fù)記信號(hào)的波形，如圖8～9所示。結(jié)果顯示固態(tài)繼電器輸入端信號(hào)傳輸延遲tPLH=115.6 ns，tPHL=150 ns(固態(tài)繼電器輸入端以動(dòng)作閾值1.25 V為標(biāo)準(zhǔn))，復(fù)記信號(hào)傳輸延遲tPLH=111.6 ns，tPHL=141.0 ns，優(yōu)于固態(tài)繼電器的最大開/關(guān)時(shí)間，滿足使用要求。

圖8 固態(tài)繼電器輸入端開曲線

圖9 固態(tài)繼電器輸入端關(guān)曲線

7.2 電流檢測校準(zhǔn)

為評(píng)估電流檢測電路性能，把本電路送計(jì)量單位校準(zhǔn)并用最小二乘法擬合工作直線，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表4所示。性能指標(biāo)為非線性：0.023%，重復(fù)性：0.030%，遲滯：0.028%，相對(duì)誤差在校準(zhǔn)前不大于±0.09%。校準(zhǔn)后不大于±0.025%。利用波形發(fā)生器和示波器測試可得電路滿量程輸出時(shí)-3 dB帶寬為110 kHz，滿足使用要求。

表4 穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果(部分)

7.3 電磁閥負(fù)載測試

以PXIe-7821數(shù)字可重配置I/O模塊和本接口電路驅(qū)動(dòng)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥，利用試車臺(tái)上的Pacific 6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄電流信號(hào)。測得的電流信號(hào)噪聲為2.53 mAP-P，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)測量方法相比下降了84%，而且有效消除了50 Hz市電帶來的干擾，應(yīng)用效果良好。

8 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的高速固態(tài)繼電器接口電路具有多路控制信號(hào)隔離放大、復(fù)記信號(hào)輸出、負(fù)載模式切換、反電勢抑制和隔離輸出的負(fù)載電流檢測功能，數(shù)字控制信號(hào)傳輸延時(shí)不超過150 ns，在25±15 ℃的溫度范圍內(nèi)的電流檢測精度達(dá)到0.207 4%，已應(yīng)用于多個(gè)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)中。進(jìn)行一定適應(yīng)性修改后，本電路也可廣泛適用于各種控制器與固態(tài)繼電器的接口以及電流檢測應(yīng)用中。