馮相霖 龐末紅

氣控副閥在不同試驗(yàn)系統(tǒng)中的電壓補(bǔ)償方法研究

馮相霖 龐末紅

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076）

針對(duì)某氣控先導(dǎo)式電磁閥的氣控副閥在裝配試驗(yàn)和性能試驗(yàn)過程中吸合響應(yīng)時(shí)間存在明顯差異的問題，建立氣控副閥和試驗(yàn)系統(tǒng)的等效電路模型，并進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真分析，最終得出：性能試驗(yàn)過程中氣控副閥響應(yīng)時(shí)間與裝配試驗(yàn)存在差異的原因是，在性能試驗(yàn)過程中測(cè)試電壓補(bǔ)償方式不當(dāng)。通過對(duì)比研究試驗(yàn)系統(tǒng)等效電路模型，提出了一種測(cè)試電壓補(bǔ)償方法，采用新方法后，氣控副閥在性能試驗(yàn)過程中的吸合響應(yīng)時(shí)間與裝配試驗(yàn)一致，差異性得以消除。

氣控副閥；響應(yīng)時(shí)間；Ansoft；電壓補(bǔ)償

1 引言

現(xiàn)代航天飛行器中，為提高姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，要求姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)具有快響應(yīng)的能力。姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)通常由電磁閥和推力室組成，其中，通過電磁閥的開啟/關(guān)閉控制推進(jìn)劑的通路/斷路，對(duì)應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)的開機(jī)/關(guān)機(jī)。想要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的快響應(yīng)，就需要縮短電磁閥開啟/關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間[1]。目前國(guó)內(nèi)外的快響應(yīng)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)中，往往使用氣控先導(dǎo)式電磁閥（以下簡(jiǎn)稱電磁閥）。而在試驗(yàn)過程中，如何獲得最真實(shí)的電磁閥響應(yīng)性能，將直接影響著姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式與控制精度[2]。

2 氣控先導(dǎo)式電磁閥簡(jiǎn)介

圖1為氣控先導(dǎo)式電磁閥的工作原理示意圖，電磁閥由副閥、主閥兩部分組成：副閥部分可視為一個(gè)兩位三通閥，主閥部分可視為一個(gè)兩位兩通閥。當(dāng)副閥接通電信號(hào)打開后，控制氣從氣源出發(fā)沿白色箭頭通路進(jìn)入R、Y主閥，驅(qū)動(dòng)兩路主閥打開，將推進(jìn)劑送入推力室，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)工作；當(dāng)副閥斷開電信號(hào)關(guān)閉后，控制氣沿白色箭頭通路被切斷，R、Y主閥的剩余控制氣排出，控制氣壓力下降至一定值時(shí)，主閥復(fù)位關(guān)閉，電磁閥斷路。電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能主要決定于副閥的響應(yīng)特性。

圖1 氣控先導(dǎo)式電磁閥工作原理示意圖

電磁閥副閥的典型響應(yīng)曲線如圖2所示，其中橫軸代表時(shí)間，縱軸代表線圈內(nèi)電流。當(dāng)=0時(shí)，在線圈兩端接通驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)線圈內(nèi)電流開始上升；當(dāng)=0時(shí)，電流升到觸動(dòng)電流1時(shí)，銜鐵上的電磁吸力克服銜鐵上的啟動(dòng)反力，銜鐵開始運(yùn)動(dòng)，線圈內(nèi)電流受銜鐵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)影響，電流開始下降；當(dāng)時(shí)間到達(dá)1時(shí)，銜鐵運(yùn)動(dòng)到位，副閥此時(shí)完全打開；線圈內(nèi)電流繼續(xù)增加，直至達(dá)到最大電流m。

圖2 電磁閥副閥典型響應(yīng)曲線[3]

圖2中所示的1時(shí)間為副閥的開啟響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)副閥的技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)后，該值應(yīng)為一確定值，不會(huì)隨試驗(yàn)系統(tǒng)而變化。而本文發(fā)現(xiàn)了同一臺(tái)副閥在不同試驗(yàn)系統(tǒng)中的響應(yīng)時(shí)間存在差異性，并針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行研究。對(duì)副閥在額定工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性，和在整閥性能試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，進(jìn)行對(duì)比分析與理論計(jì)算，并最終將差異性的原因歸結(jié)到電磁閥性能試驗(yàn)過程中電壓補(bǔ)償方法不當(dāng)。

為解決該問題，通過對(duì)比試驗(yàn)系統(tǒng)的等效電路模型，提出了一種新的測(cè)試電壓補(bǔ)償方法，使副閥在電磁閥性能試驗(yàn)中的觸動(dòng)時(shí)間、吸合時(shí)間與副閥額定工作狀態(tài)一致，電磁閥測(cè)試所得到的整閥響應(yīng)性能也與實(shí)際額定工況一致，消除了試驗(yàn)系統(tǒng)不同帶來(lái)的差異性，提高了電磁閥性能試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

3 副閥響應(yīng)時(shí)間差異性分析

3.1 概述

圖3 性能試驗(yàn)電磁閥性能曲線

電磁閥副閥在裝配試驗(yàn)階段和性能試驗(yàn)階段，均會(huì)測(cè)試副閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。其中，裝配試驗(yàn)階段的試驗(yàn)結(jié)果為副閥在額定工況下的響應(yīng)。電磁閥性能試驗(yàn)過程中，副閥線圈的電流如圖3中曲線所示，根據(jù)副閥工作原理，當(dāng)線圈兩端施加電壓后，線圈電流緩慢上升，當(dāng)電流達(dá)到觸動(dòng)電流觸動(dòng)時(shí)，銜鐵開始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)時(shí)間觸動(dòng)=4.5ms，即為副閥銜鐵開始運(yùn)動(dòng)時(shí)間；線圈電流在反電動(dòng)勢(shì)作用下開始降低，當(dāng)時(shí)間到達(dá)吸合時(shí)間吸合=5.5ms時(shí)，銜鐵運(yùn)動(dòng)到位；銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間銜鐵運(yùn)動(dòng)即為吸合-觸動(dòng)=1ms。副閥銜鐵運(yùn)動(dòng)到位后，主閥開啟，主閥運(yùn)動(dòng)為主閥固有性能，為0.5ms。

復(fù)查在裝配試驗(yàn)階段，副閥的響應(yīng)特性，銜鐵吸合時(shí)間為6ms，副閥在電磁閥性能試驗(yàn)中的響應(yīng)時(shí)間較額定工作狀態(tài)快0.5ms。

3.2 副閥響應(yīng)特性分析

副閥在額定狀態(tài)中與副閥在電磁閥性能試驗(yàn)狀態(tài)中的性能參數(shù)如表1所示。

表1 電磁閥副閥在不同試驗(yàn)條件下性能參數(shù)對(duì)比

兩次試驗(yàn)過程中，副閥觸動(dòng)電流基本相同，均為0.77A，可知副閥的工作載荷無(wú)變化[4]；銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間基本相同，為1ms，可知銜鐵及其附屬零部件的慣量、阻尼未發(fā)生變化[5]；兩者在觸動(dòng)時(shí)間上存在較大差別，分別為5.0ms和4.5ms。經(jīng)初步分析，影響觸動(dòng)時(shí)間的因素有觸動(dòng)電流大小和觸動(dòng)電流上升速率（參考圖3中輔助箭頭斜率），因兩次試驗(yàn)中觸動(dòng)電流相同，則造成觸動(dòng)時(shí)間差異性的因素為觸動(dòng)電流上升速率。

4 副閥工作特性分析

4.1 副閥響應(yīng)時(shí)間計(jì)算

影響觸動(dòng)電流上升速率的因素有線圈兩端電壓，線圈整個(gè)回路電阻、電感等。對(duì)比副閥額定狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與電磁閥整閥性能試驗(yàn)系統(tǒng)的等效電路，如圖4所示，其中，副閥線圈等效為1個(gè)電阻和1個(gè)電感串聯(lián)[6]，采集控制盒等效為開關(guān)S、驅(qū)動(dòng)電路MOS管內(nèi)阻mos和采樣電阻內(nèi)阻采樣；裝配試驗(yàn)過程中驅(qū)動(dòng)電壓為額定電壓27V，在性能試驗(yàn)過程中，為了補(bǔ)償測(cè)試電纜線阻wire，將驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償?shù)?9.5V以保證線圈最大電流一致。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)等效電路圖

對(duì)于裝配試驗(yàn)狀態(tài)的等效電路，電感內(nèi)無(wú)初始電流，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，根據(jù)基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff Voltage Law），對(duì)于通過線圈電流(t)有[7]：

式中，為線圈等效電阻，mos為驅(qū)動(dòng)電路MOS管內(nèi)阻，采樣為采樣電阻，為線圈等效電感。

求解該線性非其次微分方程，得到：

求解：

同樣方法得到性能試驗(yàn)時(shí)線圈電流(t′)，并求解′：

式中，wire為線纜電阻，其余參數(shù)與式（1）中相同。

公式中各參數(shù)的實(shí)測(cè)值為：線圈電感=0.12H，線圈電阻=19Ω，采樣=0.2Ω，wire=1.8Ω，為簡(jiǎn)化計(jì)算，mos忽略不計(jì)[8]。

取觸動(dòng)電流(t)為0.77A時(shí)，帶入式（3），計(jì)算電磁閥觸動(dòng)時(shí)間觸動(dòng)=4.97ms；

取觸動(dòng)電流(t′)為0.77A時(shí)，帶入式（4），計(jì)算電磁閥觸動(dòng)時(shí)間′觸動(dòng)=4.54ms。

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近，通過對(duì)比式（4）與式（3），性能試驗(yàn)觸動(dòng)時(shí)間較裝配試驗(yàn)（額定狀態(tài)）快0.42ms的原因是：性能試驗(yàn)為排除線纜電阻wire的分壓影響，將驅(qū)動(dòng)電壓提高至29.5V，雖然保證了流經(jīng)線圈的最大電流與額定狀態(tài)一致，但2.5V補(bǔ)償電壓大幅度提高了試驗(yàn)系統(tǒng)電路中回路電流(t′)對(duì)一階零狀態(tài)響應(yīng)的時(shí)間特性，表現(xiàn)為觸動(dòng)時(shí)間與裝配試驗(yàn)狀態(tài)相比快0.42ms。

4.2 副閥性能仿真

由于該電磁鐵為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以選擇軸對(duì)稱求解類型，建立電磁鐵的二維軸對(duì)稱模型（軸旋轉(zhuǎn)）[9]，如圖5所示。其中，銜鐵沿軸運(yùn)動(dòng)，初始?xì)庀?.3mm，即初始位置為0，運(yùn)動(dòng)行程為沿軸方向0.3mm；設(shè)置銜鐵重量為8g，阻尼為0.02N·s/m；開啟反力根據(jù)理論計(jì)算，設(shè)為-50N。

圖5 副閥二維瞬態(tài)仿真模型

定義材料后，定義激勵(lì)源和邊界條件，設(shè)置激勵(lì)方式為電壓激勵(lì)，初始電流設(shè)置為0A，電感設(shè)置為實(shí)測(cè)值0.12H，線圈匝數(shù)設(shè)定為500匝。分別對(duì)圖3所示兩種副閥測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行仿真，其中，裝配試驗(yàn)仿真時(shí)將電阻設(shè)置為19.2Ω、驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為27V，仿真結(jié)果如圖6所示；液流試驗(yàn)仿真時(shí)將電阻設(shè)置為21Ω、驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為29.5V，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 裝配試驗(yàn)副閥性能仿真

圖7 液流試驗(yàn)副閥性能仿真

兩次試驗(yàn)中觸動(dòng)電流仿真結(jié)果均為0.75A；裝配試驗(yàn)的吸合時(shí)間仿真結(jié)果為5.15ms，液流試驗(yàn)的吸合時(shí)間仿真結(jié)果為4.6ms；兩次試驗(yàn)中銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間的仿真結(jié)果相同，均為0.8ms。

仿真結(jié)果總體與試驗(yàn)結(jié)果接近，雖然仿真結(jié)果中兩次試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)電壓參數(shù)不相同，但銜鐵的吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，均為0.8ms，說(shuō)明銜鐵的吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間受補(bǔ)償電壓的影響較低。

為補(bǔ)償液流試驗(yàn)系統(tǒng)中的線纜電阻wire分壓，將驅(qū)動(dòng)電壓提高至29.5V，雖然可以保證副閥線圈內(nèi)最大電流與額定狀態(tài)一致，但卻使副閥的響應(yīng)特性偏離額定工作狀態(tài)，據(jù)此可判斷計(jì)算線纜電阻分壓法的電壓補(bǔ)償方法不能準(zhǔn)確反映出電磁閥整閥的響應(yīng)特性。

仿真結(jié)果中觸動(dòng)時(shí)間與計(jì)算結(jié)果、試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均較接近，銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間也與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的0.9ms基本相同，并且根據(jù)仿真結(jié)果，銜鐵的運(yùn)動(dòng)時(shí)間受到補(bǔ)償電壓的影響較小，可忽略，在電壓補(bǔ)償計(jì)算中，不需考慮銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

為了讓性能試驗(yàn)中電磁閥的響應(yīng)時(shí)間與電磁閥裝配試驗(yàn)（額定工況）盡可能接近，需重新考慮對(duì)導(dǎo)線電阻wire的補(bǔ)償方案。想要達(dá)到的補(bǔ)償目標(biāo)為：副閥銜鐵的吸合時(shí)間、觸動(dòng)時(shí)間盡可能接近額定工作狀態(tài)，以獲得電磁閥整閥的額定響應(yīng)時(shí)間。

5 電壓補(bǔ)償計(jì)算及驗(yàn)證

令式（3）、式（4）的觸動(dòng)時(shí)間相等，將式（4）中的29.5V電壓設(shè)為未知量U，令=′,聯(lián)立式（3）、式（4），求解U：

其中，“27.9V補(bǔ)償”曲線與“額定測(cè)試”曲線在副閥整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍內(nèi)重合，說(shuō)明27.9V補(bǔ)償電壓時(shí)，銜鐵的吸合、觸動(dòng)特性與額定狀態(tài)一致；在7ms時(shí)，額定測(cè)試狀態(tài)的電流曲線與27.9V補(bǔ)償狀態(tài)的電流曲線才產(chǎn)生分離，并最終達(dá)到最大電流1.33A，銜鐵在6ms時(shí)已完成動(dòng)作，此后的電流變化不影響副閥的響應(yīng)特性。

調(diào)整計(jì)算，將線圈兩端電壓改為27.9V，重新進(jìn)行液流試驗(yàn)，其副閥線圈電流如圖9所示，其中，觸動(dòng)時(shí)間觸動(dòng)由原來(lái)的4.5ms變?yōu)?ms，銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間銜鐵運(yùn)動(dòng)仍為1ms，此時(shí)副閥的工作曲線與裝配狀態(tài)相同，副閥工作狀態(tài)與任務(wù)書裝配要求的額定狀態(tài)一致。

圖9 調(diào)整計(jì)算后副閥觸動(dòng)時(shí)間t觸動(dòng)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了一種氣控先導(dǎo)式電磁閥的副閥在額定工作狀態(tài)與性能試驗(yàn)中響應(yīng)時(shí)間存在差異性的原因是，補(bǔ)償線阻分壓時(shí)，將驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置較高，導(dǎo)致性能試驗(yàn)中副閥響應(yīng)時(shí)間相較額定工作狀態(tài)快0.5ms。經(jīng)理論分析與計(jì)算，研究出一種新的電壓補(bǔ)償計(jì)算方法，按新方法計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)電壓由原來(lái)的29.5V降低至27.9V，調(diào)整試驗(yàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電壓后，重新進(jìn)行電磁閥性能試驗(yàn)，副閥的響應(yīng)時(shí)間與額定工作狀態(tài)一致。對(duì)于該類型的副閥，后續(xù)液流試驗(yàn)或類似試驗(yàn)過程中，為獲得與額定工況一樣的響應(yīng)特性，可采用本文的驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償算法。

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Research on Voltage Compensation of Gas Driven Auxiliary-valve Test under Different Test Conditions

Feng Xianglin Pang Mohong

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076)

This article compared “pull in” response time of the same gas driven auxiliary-valve under different test conditions as the laboratory rated conditions and performance test conditions. The “pull in” response time under the performance test conditions differs from the rated conditions significantly. This difference makes the test results lose effectiveness. Two equivalent circuit models are established to analyze the difference. The article progressed analysis, calculation and Ansoft simulation, and discovered that the difference of the “pull in” response time is caused by the wrong voltage compensation method which is used under the performance test. To correct the compensation method, more research and comparation work is conducted. Finally a voltage compensation method is developed to keep the auxiliary-valve’s “pull in” response being the same under different test conditions. The new method improves the performance test system, and the test result validates this article’s theory.

gas driven auxiliary-valve；“pull in” response；Ansoft；voltage compensation

V433.9+1

A

馮相霖（1987），工程師，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：航天器閥門設(shè)計(jì)。

2021-07-06