運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)電磁繼電器消反峰電路分析與MULTISIM仿真

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(1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854; 2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)電磁繼電器消反峰電路分析與MULTISIM仿真

余力凡1,馬紅梅2

(1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854; 2.航天恒星科技有限公司，北京100086)

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)中大量使用了電磁繼電器，繼電器線(xiàn)圈斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反峰電壓，形成很強(qiáng)的電磁干擾；這種干擾一方面很容易擊穿驅(qū)動(dòng)繼電器工作的晶體管，造成系統(tǒng)功能的損壞，另一方面可能影響運(yùn)載火箭精密儀器的正常工作；為了消除這種反峰電壓，控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用兩種消反峰電路；對(duì)兩種電磁繼電器消反峰電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，比較了“二極管+電阻”電路與“電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”電路的消反峰效果，并使用MULTISIM進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)“電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”電路消反峰效果更好，對(duì)于要求快速泄放反峰電流的電路應(yīng)采用“電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”的消反峰電路。

運(yùn)載火箭；電磁繼電器；反峰電壓；MULTISIM

0 引言

電磁繼電器在控制電路中有獨(dú)特的電氣、物理特性，其斷態(tài)的高絕緣電阻和通態(tài)的低導(dǎo)通電阻，使得其它任何電子元器件無(wú)法與其相比，加上繼電器標(biāo)準(zhǔn)化程度高、通用性好、可簡(jiǎn)化電路等優(yōu)點(diǎn)，所以繼電器廣泛應(yīng)用在航天、航空、軍用電子裝備、信息產(chǎn)業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各種電子設(shè)備中。繼電器腔體內(nèi)主要由線(xiàn)圈、銜鐵和兩組或多組簧片等組合成[1]。圖 1為電磁繼電器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)線(xiàn)圈通電后，線(xiàn)圈的激磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，銜鐵在空氣隙處受到電磁吸力的作用。當(dāng)電磁吸力大于彈簧的拉力時(shí)，銜鐵動(dòng)作，吸向鐵芯，從而帶動(dòng)與之相連的動(dòng)簧片產(chǎn)生動(dòng)作，使原先并使原先斷開(kāi)的觸點(diǎn)(稱(chēng)常開(kāi)觸點(diǎn)或動(dòng)合觸點(diǎn))閉合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，銜鐵在彈簧的拉力作用下又回到其起始位置，相應(yīng)地，觸點(diǎn)也回到起始狀態(tài)。

由圖1可知繼電器的線(xiàn)圈是一個(gè)電感，繞組中又有銜鐵，因此在繞組通電后要貯存磁能，在繼電器繞組斷電的瞬間，磁能釋放會(huì)產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢(shì)PIV(Peak Inverse Voltage)，這個(gè)瞬間反向電動(dòng)勢(shì)形成的脈沖尖峰可能干擾其它電路的正常工作。

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)中無(wú)論是箭上飛行控制系統(tǒng)還是地面測(cè)試發(fā)射控制系統(tǒng)均大量地使用了電磁繼電器。繼電器從接通狀態(tài)到斷開(kāi)狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生反峰電壓，這種電壓如不加以消除會(huì)干擾電路的正常工作[2]。線(xiàn)圈斷開(kāi)瞬間的反峰電壓比正常電壓高幾十倍，一方面很容易擊穿驅(qū)動(dòng)繼電器工作的晶體管，造成系統(tǒng)功能的損壞，另一方產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，可能影響控制系統(tǒng)的精密儀器的正常工作。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范中要求電磁繼電器在使用中必須采取消反峰措施。

1 兩種消反峰電路介紹

為了解決繼電器線(xiàn)圈斷電瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，一般的做法是在繼電器繞組兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管，如圖2所示。當(dāng)線(xiàn)圈斷電時(shí)，貯存在線(xiàn)圈中的能量通過(guò)二極管與線(xiàn)圈組成的回路進(jìn)行泄放，如圖3所示。

圖2 二極管消反峰電路圖3 二極管消反峰電路泄放回路

此種消反峰電路最簡(jiǎn)單但是在控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)電路中會(huì)增加一個(gè)電阻與二極管串聯(lián)后再與繼電器線(xiàn)圈并聯(lián)，主要目的是為了防止二極管反向擊穿導(dǎo)致繼電器線(xiàn)包被短路，導(dǎo)致繼電器控制功能失效。如圖4所示。

1.1 “二極管+電阻”消反峰電路分析

由圖4可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)k閉合后，繼電器線(xiàn)圈加電，當(dāng)k斷開(kāi)時(shí)繼電器線(xiàn)圈、電阻R、二極管V構(gòu)成了反峰電壓泄放回路。設(shè)繼電器線(xiàn)圈電阻為r，電感為L(zhǎng)，消反峰電阻為R，線(xiàn)圈產(chǎn)生的反峰電壓為U1。線(xiàn)圈斷開(kāi)瞬間等效電路如圖5所示。

圖4 “二極管+電阻”消反峰電路圖5 “二極管+電阻”消反峰等效電路圖

C-K方程為：

注：此處忽略了二極管的壓降。

求解此微分方程:

(1)

由圖5可知，繼電器斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的反峰電壓U1表達(dá)式為:

(2)

反峰電壓UI曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 “電阻+二極管”反峰電壓波形

由放電常數(shù)τ的表達(dá)式可知，消反峰電阻R的阻值越大，τ越小，反峰電壓的下降速度越快，但是，從公式(2)可以看出，在繼電器線(xiàn)包斷開(kāi)瞬間的最高反峰電壓會(huì)隨著R的增大而提高，R阻值對(duì)反峰電壓的影響如圖7所示。

圖7 消反峰電阻與反峰電壓的關(guān)系

從電路設(shè)計(jì)角度，當(dāng)然希望反峰電壓能迅速下降，但是其代價(jià)是反峰電壓會(huì)提高，這又是控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中不希望的結(jié)果。因此，如何選擇消反峰電阻R的阻值是一個(gè)權(quán)衡利弊的過(guò)程。在實(shí)際工程中，對(duì)反峰電壓的幅值更為關(guān)注，一般要控制在10 V以?xún)?nèi)，對(duì)其下降速度反而沒(méi)有過(guò)多的要求，那么根據(jù)公式(2)就基本可以確定R電阻的阻值了。

1.2 “電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”消反峰電路分析

在某些特定的情況下，要求在不增加反峰電壓的情況下要加快反峰電壓的泄放速度，如何解決這個(gè)矛盾呢？在這種情況下可以使用“電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”的消反峰電路，如圖8所示。

穩(wěn)壓二極管也稱(chēng)作齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管。當(dāng)反向電壓加到某一定值時(shí)，反向電流急增，產(chǎn)生反向擊穿。當(dāng)反向電流小于某一值時(shí)，穩(wěn)壓二極管進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)[3]。當(dāng)開(kāi)關(guān)k斷開(kāi)時(shí)圖8所示電路中的反峰電流如圖9所示。

圖9中V1為穩(wěn)壓二極管反向擊穿電壓，線(xiàn)圈斷電瞬間，C-K方程為：

求解此微分方程:

Ldi2+i2(r+R)dt-V1dt=0

圖8 “電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”消反峰電路圖9 “電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”消反峰電路

(3)

反峰電壓U2表達(dá)式為：

整理得到：

(4)

2 兩種消反峰電路的比較分析

MULTISIM是NI(美國(guó)國(guó)家儀器有限公司)推出的以WINDOWS為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、仿真工作。它包含了電原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

在對(duì)兩種電磁繼電器消反峰電路進(jìn)行了原理分析后，對(duì)消反峰電路效果使用MULTISIM進(jìn)行仿真。

以控制系統(tǒng)中常用的電磁繼電器消反峰電路為例，可設(shè)r=820 Ω，R=60 Ω，U1=28 V，L=10 H，V1=15 V，對(duì)兩種消反峰電路的反峰電壓進(jìn)行仿真。

首先對(duì)“電阻+二極管”消反峰電路情況進(jìn)行仿真，搭建電路如圖10所示，用示波器觀(guān)察反峰電壓的變化情況，仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，反峰電壓從2.047 V下降到0 V用了43.9 ms。

圖10 “電阻+二極管”消反峰仿真電路

圖11 “電阻+二極管”消反峰仿真結(jié)果

在圖10基礎(chǔ)上增加穩(wěn)壓二極管，對(duì)消反峰效果進(jìn)行仿真，搭建電路如圖12所示，用示波器觀(guān)察反峰電壓的變化情況，仿真結(jié)果如圖13所示。從圖13中可以看出反峰電壓從2.047 V下降到0 V只用了12.151 ms。

圖12 “電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”消反峰仿真電路

圖13 “電阻+二極管+穩(wěn)壓二極管”消反峰仿真結(jié)果

從兩種消反峰電路的分析及仿真效果來(lái)看，增加了穩(wěn)壓二極管后的反峰電壓下降很快，但反峰電壓的最大值并沒(méi)有提高，既滿(mǎn)足了快速泄放的要求，又沒(méi)有提高反峰電壓，可應(yīng)用于對(duì)泄放時(shí)間有要求的電路。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種電磁繼電器消反峰電路的分析與仿真，可知對(duì)于反峰電流泄放時(shí)間要求不高電路，采用“二極管+電阻”的消反峰電路即可，而對(duì)于要求快速泄放反峰電流的電路應(yīng)采用“二極管+電阻+穩(wěn)壓二極管”的消反峰電路。

[1] 孫 靜，胡會(huì)能，王 全，等．航天用電磁繼電器的常見(jiàn)失效模式及機(jī)理分析[J]．宇航材料工藝，2000(S)；247-249.

[2] 華興潮.消除電感性器件反峰電路初探[J].聊城師院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1998,11(1):47-49.

[3] 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)[M].北京：高等教育出版社，2005.

AnalysisandMULTISIMSimulationofElectromagneticRelayAnti-PIVCircuitinLaunchVehicleControlSystem

Yu Lifan1,Ma Hongmei2

(1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China; 2.Space Star Technology Co., Ltd., Beijing 100086,China)

A large number of electromagnetic relays are used in Launch vehicle control system. When the relay coil power off it will generate a peak inverse voltage, forming a strong electromagnetic interference.On the one hand this kind of interference easy to breakdown the transistor , resulting in damage to the system function, on the other hand may affect the normal operation of the precision instruments. In order to eliminate this peak inverse voltage, two kinds of Anti-PIV(Peak Inverse Voltage) circuits are often used in the control system. The design and calculation of the Anti-PIV circuit of the two kinds of electromagnetic relays are compared and calculated. The “diode+resistance” circuit is compared with the “resistor+diode+zener diode”circuit of the Anti-PIV effect, and the use of MULTISIM simulation, found that“resistance+diode+Zener diode”circuit is better.For the rapid release of Peak Inverse Voltage the“Resistance +diode+Zener diode”Anti-PIV circuit should be chosen.

Launch vehicle; electromagnetic relay; anti-PIV circuit; multi-SIM

2017-04-24；

2017-05-23。

余力凡(1976-)， 男，浙江紹興人，高級(jí)工程師，主要從事電子通信及電氣系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)11-0055-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.014

TP3

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