基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路研究

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

航天器在太空中運(yùn)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(jìn)行即時(shí)控制，而執(zhí)行其控制任務(wù)的就是姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)。隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)快響應(yīng)要求越來越高，姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間包括推力室燃燒響應(yīng)時(shí)間和電磁閥開關(guān)響應(yīng)時(shí)間[1]，其中電磁閥開關(guān)響應(yīng)時(shí)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(dòng)機(jī)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(hào)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)要求快響應(yīng)、高精度控制值，姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間要求小于20 ms，但在電磁閥與驅(qū)動(dòng)電路匹配液流試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)：該型號(hào)用姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間遠(yuǎn)大于20 ms，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)閉時(shí)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(dòng)電磁鐵被吸引而運(yùn)動(dòng)。當(dāng)達(dá)到電磁閥觸動(dòng)電流時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生磁力帶動(dòng)銜鐵動(dòng)作，使電磁閥開啟；切斷電磁閥供電，電磁鐵電流下降，當(dāng)?shù)陀陔姶砰y釋放電流時(shí)，由于電磁力消失，銜鐵受彈簧力作用復(fù)位，關(guān)閉電磁閥[2]。因此，電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間包括電磁鐵電流上升時(shí)間和銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間，電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間包括電磁鐵電流下降時(shí)間和銜鐵復(fù)位時(shí)間。銜鐵運(yùn)動(dòng)間隙小，運(yùn)動(dòng)速度快，所用時(shí)間極短，而電磁鐵是電感元件，具有很強(qiáng)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(shí)間與其電流上升下降所需時(shí)間密切相關(guān)。

為了滿足電磁兼容的要求，消除反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的影響，以往通常采用二極管對(duì)電磁鐵電感上的電流進(jìn)行放電[4]，并對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行鉗位，電流釋放曲線及反向電動(dòng)勢(shì)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(dòng)電流，tp為電磁閥關(guān)閉時(shí)的釋放時(shí)間，U為電源電壓，-U1為反向電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)圖

采用Altium Designer軟件，根據(jù)圖1電路設(shè)計(jì)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(chǎng)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(shí)際電路中數(shù)據(jù)采集。選用脈沖電壓激勵(lì)源VPULSE提供周期性的連續(xù)脈沖激勵(lì)，用于模擬實(shí)際電路中的激勵(lì)信號(hào)，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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽V1，在電磁閥供電正端設(shè)置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽V2，用于測(cè)試電磁閥反向電動(dòng)勢(shì)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(jì)”→“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(fù)選靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)數(shù)(Default Points Per Cycle)為50[5-7]。執(zhí)行仿真命令對(duì)該電路進(jìn)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(shí)間tp約為30 ms，反向電動(dòng)勢(shì)鉗位電壓U1約為2 V，該電磁閥釋放時(shí)間tp，未包含電磁鐵動(dòng)作時(shí)間，實(shí)際時(shí)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(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，但其釋放時(shí)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(jì)算，當(dāng)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(dāng)瞬時(shí)電流i降到電磁閥釋放觸動(dòng)電流i0時(shí)，電磁閥開始釋放，則有釋放時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)電路仿真結(jié)果(R=47 Ω)

圖6 增加釋放電阻的改進(jìn)電路仿真結(jié)果(R=92 Ω)

對(duì)兩圖中仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見表1。當(dāng)釋放電阻R=47 Ω時(shí)，電磁鐵的釋放時(shí)間為15 ms，反向電動(dòng)勢(shì)為70 V；當(dāng)釋放電阻R=92 Ω時(shí)，電磁鐵的釋放時(shí)間為10 ms，反向電動(dòng)勢(shì)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(shí)間越短，但反向電動(dòng)勢(shì)則越大。

表1 不同釋放電阻R的仿真結(jié)果對(duì)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(dòng)勢(shì)突變；后期隨著電流變化速率減慢，反向電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)減弱，整個(gè)釋放時(shí)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(jìn)電路仿真結(jié)果(圖5)為例，在t=100 ms時(shí)，反向電動(dòng)勢(shì)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(shí)才逐步變?yōu)? V；由此可見，電流釋放前期用時(shí)約為5 ms，后期用時(shí)約為10 ms。因此，將改進(jìn)設(shè)計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)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(hù)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(duì)一個(gè)方向的浪涌電壓的沖擊起到保護(hù)作用，雙向TVS管對(duì)兩個(gè)相反方向的浪涌電壓的沖擊都能起到保護(hù)作用，相當(dāng)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(hù)性能。單向TVS管多用于直流和已知方向的信號(hào)電路，雙向TVS管多用于交流和變化的信號(hào)電路，TVS陣列多用于多線保護(hù)[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(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，并將電壓鉗制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞[9]。TVS管能承受的瞬時(shí)功率可達(dá)上千瓦，其鉗位響應(yīng)時(shí)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(dá)50～200 A。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓鉗制到預(yù)定水平。雙向TVS的V-I特性曲線如圖8所示[10]。以正向?yàn)槔?，?dāng)TVS管電壓為反偏，且位于0～VBR時(shí)，TVS管呈高電阻狀態(tài)；當(dāng)反偏電壓超過VBR時(shí)，流經(jīng)TVS管的電流迅速增加，進(jìn)入低電阻狀態(tài)，從高電阻狀態(tài)到低電阻狀態(tài)的延時(shí)極短，只有ps數(shù)量級(jí)。TVS管兩端電壓被鉗制在VC以下，當(dāng)電壓脈沖過后，TVS管又重新恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

對(duì)基于雙向TVS的加速釋放電路進(jìn)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(shí)間tp約為5 ms、反向電動(dòng)勢(shì)鉗位電壓U1為52 V，滿足了總體對(duì)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)性能的要求，且有效地控制電磁閥關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，保證了固態(tài)繼電器降額要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)以上三種加速釋放電路狀態(tài)分別進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，參試電磁閥為某型姿軌控動(dòng)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(gè)二級(jí)管與R=47 Ω串聯(lián)，原理如圖4(a)所示；

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

3)電路3：1個(gè)雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管(雙向TVS型號(hào)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(dòng)勢(shì)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(shí)間為28 ms、最大反向電動(dòng)勢(shì)為80 V；電路2狀態(tài)電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為21 ms、最大反向電動(dòng)勢(shì)為130 V。由于電路3狀態(tài)采用雙向TVS，電磁閥釋放時(shí)刻電流曲線的波動(dòng)不明顯，故通過電磁閥出口壓力下降時(shí)刻來判斷關(guān)閉響應(yīng)，電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為6 ms、最大反向電動(dòng)勢(shì)為43 V。

圖10 電路1電磁閥電流曲線及反向電動(dòng)勢(shì)曲線

圖11 電路2電磁閥電流曲線及反向電動(dòng)勢(shì)曲線

圖12 電路3電磁閥電流曲線及反向電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)/V電路1(二級(jí)管與R=47Ω串聯(lián))2880電路2(二級(jí)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(huì)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(dòng)力系統(tǒng)指標(biāo)要求；最大反向電動(dòng)勢(shì)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(shí)的產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)。

b)電路3的電磁閥關(guān)閉響應(yīng)性能最快，達(dá)到6ms；且能夠有效地控制電磁閥關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)力系統(tǒng)指標(biāo)要求，在航天器狀態(tài)控制過程中，實(shí)現(xiàn)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的快響應(yīng)，同時(shí)滿足姿軌狀態(tài)的精確控制。試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證，通過在電磁閥驅(qū)動(dòng)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(shí)間，解決了某型號(hào)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉響應(yīng)慢的問題，有效地控制了電磁閥關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，保證了固態(tài)繼電器的降額要求。該電路設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)手段，大大地提高了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的可靠性和可行性。該電路已在多個(gè)型號(hào)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中得到應(yīng)用，并參加了全系統(tǒng)熱試車及飛行試驗(yàn)，性能穩(wěn)定可靠。