某箭載指令接收機(jī)繼電器觸點(diǎn)粘連問題分析

劉來方

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都，610036）

0 引言

某箭載指令接收機(jī)用于接收地面測控站發(fā)送上行遙控指令，對遙控指令進(jìn)行解調(diào)、譯碼，通過一對不帶電的指令繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行指令的輸出。該指令接收機(jī)自90年代首飛以來，已參加十多次重大任務(wù)的火箭發(fā)射，歷次均圓滿完成了任務(wù)。

在某次任務(wù)的總裝廠房測試中，出現(xiàn)了指令繼電器常開觸點(diǎn)一直保持閉合的故障，系統(tǒng)表現(xiàn)為虛指令輸出。經(jīng)過對該故障的排查分析，故障最終定位于指令繼電器觸點(diǎn)粘連。

繼電器廣泛應(yīng)用于航天系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，其主要功能是采用小電流隔離控制大電流，在火箭各分系統(tǒng)的電子設(shè)備中廣泛使用，繼電器的可靠使用與否直接關(guān)系到火箭發(fā)射的成敗。文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計(jì)了2005-2012年衛(wèi)星上出現(xiàn)的九起繼電器失效故障，其中五起是繼電器觸點(diǎn)粘連,觸點(diǎn)粘連是繼電器失效的主要形式。

國外Schrank Clemens,Neuhaus Alexander R等學(xué)者的一系列論文[2][3]研究了不同因素對觸點(diǎn)粘連影響，包括電弧持續(xù)時(shí)間、電流、器件封裝內(nèi)不同的氣氛均對觸點(diǎn)粘連有一定影響。

經(jīng)過大量的分析排查、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)致繼電器觸電粘連的原因是地面指令檢測電路的設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生的浪涌電流，造成了箭上指令接收機(jī)繼電器常開觸點(diǎn)的熔焊、粘連。對造成繼電器觸點(diǎn)粘連的浪涌電流的來源、幅度進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)電路存在容性負(fù)載時(shí)，提出了觸點(diǎn)浪涌電流的計(jì)算方法，用于評估繼電器觸點(diǎn)粘連的風(fēng)險(xiǎn)以及改進(jìn)建議。

1 繼電器故障情況

箭載指令接收機(jī)的指令輸出電路如圖1所示，采用繼電器觸點(diǎn)的并串結(jié)構(gòu)，指令控制電路無輸出時(shí)，繼電器K1和繼電器K2的觸點(diǎn)保持常開，指令控制電路輸出指令時(shí)，繼電器K1和繼電器K2的常開觸點(diǎn)閉合，完成指令輸出觸點(diǎn)1和指令輸出觸點(diǎn)2的電氣連通，即系統(tǒng)通過采集一對指令輸出觸點(diǎn)的閉合情況來執(zhí)行遙控指令。

圖1 箭載指令接收機(jī)的指令輸出電路

箭載指令接收機(jī)進(jìn)行遙控指令的多次收發(fā)測試時(shí)，接收到某條遙控指令后，指令輸出觸點(diǎn)1和指令輸出觸點(diǎn)2閉合1s后即斷開，故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)采集到一對指令輸出觸點(diǎn)一直為連通狀態(tài)，并未按既定程序斷開。

使用的繼電器為國產(chǎn)的超小型電磁繼電器，按照故障排查流程，對故障的兩只繼電器進(jìn)行失效分析，顯微鏡下觀察到繼電器觸點(diǎn)粘連情況如圖2所示，兩只繼電器表面均存在燒蝕情況。失效分析的結(jié)論是兩只繼電器常開觸點(diǎn)短路均是由于繼電器常開觸點(diǎn)的中簧片與常開簧片之間燒蝕、粘連所致。

圖2 繼電器觸點(diǎn)粘連情況

繼電器屬于箭載指令接收機(jī)指令輸出的核心器件，根據(jù)系統(tǒng)FMEA分析[2]，指令繼電器觸點(diǎn)粘連故障是設(shè)備最為嚴(yán)重的故障之一，將導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)不該動(dòng)作而動(dòng)作，造成最嚴(yán)重的結(jié)果是火箭發(fā)射任務(wù)失敗，因此為確保設(shè)備可靠性，需要對故障進(jìn)行分析、定位，避免重復(fù)出現(xiàn)。

2 原因分析

航天繼電器在設(shè)計(jì)時(shí)，繼電器觸點(diǎn)容量降額設(shè)計(jì)均可做好，容易忽略的是容性負(fù)載、感性負(fù)載、純阻性負(fù)載在繼電器動(dòng)作瞬態(tài)響應(yīng)有很大的不同。很多研究均表明容性負(fù)載、感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)過壓、過流，會(huì)導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)簧片在閉合或分離過程中出現(xiàn)故障。尤其是在繼電器接口測試電路設(shè)計(jì)時(shí)，出于設(shè)備電磁兼容的設(shè)計(jì)考慮，會(huì)在設(shè)備接口輸入電路上并聯(lián)濾波電容，繼電器電路在和這些設(shè)備連接時(shí)，若容性負(fù)載的電容值較小，不會(huì)對繼電器觸點(diǎn)造成影響，當(dāng)容性負(fù)載大到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致繼電器簧片閉合瞬間產(chǎn)生較大的電容充電浪涌，從而造成繼電器觸點(diǎn)的損傷粘連，由于這種故障模式具有多次累積的效應(yīng)，且導(dǎo)致故障的容性負(fù)載不易量化，因此故障不易事先覺察。

本次箭載指令接收機(jī)繼電器粘連故障，也從測試設(shè)備的繼電器接口電路進(jìn)行分析。

2.1 故障工況分析

故障工況如圖3所示，其中箭上指令接收機(jī)指令輸出電路簡化為開關(guān)。地面檢測電路的工作原理是，通過A/D采樣指令觸點(diǎn)2電壓，送FPGA判斷是否收到指令，其中磁珠L1和L2主要作用是抑制和消除高頻電磁干擾，電容C1和C2主要作用為濾除繼電器觸點(diǎn)閉合分離抖動(dòng)造成的電壓波動(dòng)，電阻R1和R2主要作用是對電壓進(jìn)行分壓，與ADC的接口要求進(jìn)行匹配，F(xiàn)PGA對ADC采集的電壓進(jìn)行判幅，給出是否收到遙控指令的結(jié)論。

圖3 箭載指令接收機(jī)及地面指令檢測電路

考慮繼電器觸點(diǎn)粘連故障的機(jī)理，該電路必定產(chǎn)生了繼電器觸點(diǎn)不能承受的浪涌電流。

2.2 浪涌電流計(jì)算

為了計(jì)算觸點(diǎn)的失效電流，我們對圖3電路圖進(jìn)行等效，如圖4所示，其中，繼電器的一對觸點(diǎn)等效為開關(guān)K和觸點(diǎn)電阻的串聯(lián)，磁珠L1和L2等效為電感和電阻的串聯(lián)，電阻R為繼電器觸點(diǎn)接觸電阻、磁珠阻抗和連線電阻之和。電容C為電容C1和C2的并聯(lián)。由于電阻R1、R2阻值以及AD變換器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于R，其對開關(guān)K流過的電流影響忽略不計(jì)。因此，圖4進(jìn)一步等效為圖5。

圖4 指令檢測電路等效電路圖

圖5 指令檢測電路簡化電路圖

如圖5所示，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得：

另有：

帶入（1），得微分方程：

其中，單個(gè)磁珠感抗按器件資料32nH計(jì)算，L=2×32=64nH；C=10.1μF；R=0.05+0.006×2+0.18=0.242Ω,其中，繼電器觸點(diǎn)接觸電阻約為0.05Ω，磁珠阻抗約為0.006Ω，連接線阻抗約為0.18Ω；

將L、R和C的值帶入（2），通過仿真軟件計(jì)算，可以得出電流的曲線如圖6所示。

圖6 電流隨時(shí)間變化的曲線

根據(jù)繼電器指標(biāo)，當(dāng)繼電器觸點(diǎn)為阻性負(fù)載時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合時(shí)可以流過的額定電流為2A，容性負(fù)載時(shí)，常開觸點(diǎn)的帶載能力較差。經(jīng)過以上計(jì)算可知，繼電器常開觸點(diǎn)經(jīng)受2A以上的容性負(fù)載沖擊的時(shí)間約為9μs，且流經(jīng)的最大電流為95A，大電流將導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)表面燒蝕，多次燒蝕后造成觸點(diǎn)粘連失效。

2.3 試驗(yàn)情況

搭建試驗(yàn)電路，采集繼電器觸點(diǎn)電路中的瞬態(tài)電流來驗(yàn)證理論計(jì)算，在原故障電路上搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。浮地示波器帶寬設(shè)置為500MHz,示波器探頭就近連接至采樣電阻兩端，阻抗設(shè)置為1MΩ,示波器觀察到的波形如圖8所示。圖8(a)為單次觸點(diǎn)閉合的波形，圖中毛刺為示波器探頭在繼電器觸點(diǎn)閉合瞬間耦合的高頻干擾；圖8(b)為每1s觸點(diǎn)閉合一次的波形。

圖7 觸點(diǎn)電路瞬態(tài)電流測試

圖8 示波器觀察采樣電壓波形

從圖8(a)中，忽略高頻耦合的毛刺信號(hào)，可觀察到采樣電阻兩端有明顯的充放電波形，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理計(jì)算，該電路中流經(jīng)繼電器觸點(diǎn)的最大電流約為22A,2A以上電流的持續(xù)時(shí)間約為16μs,與理論計(jì)算結(jié)果比對，存在一定的差別，主要原因是理論計(jì)算中，部分參數(shù)值如電感量、電阻值存在估算誤差，但是理論數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有數(shù)量級的差別，不影響電路的風(fēng)險(xiǎn)評估，即檢測電路中在繼電器觸點(diǎn)閉合瞬間，電容充電存在10A量級的電流，超過了繼電器觸點(diǎn)所能承載的最大電流2A，經(jīng)過多次大電流的沖擊，導(dǎo)致了繼電器中簧片和常開簧片之間燒蝕粘連。

3 解決措施

分析地面設(shè)備的指令檢測電路，電容C1和C2主要作用為濾除繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)抖動(dòng)造成的電壓波動(dòng)，電容充電的浪涌電流是造成繼電器觸點(diǎn)燒蝕的主要原因，磁珠L1和L2主要作用是抑制和消除高頻電磁干擾，對觸點(diǎn)大電流基本無貢獻(xiàn)。

因此，解決措施是去除電容C1和C2,同時(shí)更改FPGA的判決算法，對采集到的信號(hào)電平進(jìn)行判寬等處理，使用算法來濾除繼電器觸點(diǎn)閉合抖動(dòng)造成的誤判。

修改FPGA軟件算法，去除電容C1和C2，重新進(jìn)行指令收發(fā)測試試驗(yàn)，繼電器觸點(diǎn)閉合2000次后，對使用的繼電器開帽檢查，觀察繼電器觸點(diǎn)情況如圖9(a)所示，觸點(diǎn)簧片光滑無異常，未出現(xiàn)燒蝕情況。再將電容C1和C2接入電路，觸點(diǎn)閉合2000次后，繼電器未出現(xiàn)粘連情況，觀察繼電器觸點(diǎn)情況如圖9(b)所示，觸點(diǎn)表面已經(jīng)出現(xiàn)燒蝕。以上試驗(yàn)驗(yàn)證了故障定位的準(zhǔn)確性，也驗(yàn)證了解決措施的有效性。

圖9 繼電器觸點(diǎn)閉合2000次后觸點(diǎn)情況

4 結(jié)束語

研究了某箭載接收機(jī)繼電器電路的故障過程，對繼電器觸點(diǎn)粘連的故障模式進(jìn)行了分析，不同于其它文獻(xiàn)對浪涌電流導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)粘連的定性描述，本文提出了繼電器觸點(diǎn)容性負(fù)載浪涌電流的一般計(jì)算方法，可評估電路風(fēng)險(xiǎn)，在工程應(yīng)用中有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，根據(jù)本文的計(jì)算分析，在高可靠工程應(yīng)用中，不再建議繼電器的接口電路濾波電容的接入，可尋求其他的電路方式進(jìn)行電磁兼容。