一個(gè)經(jīng)典電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)

上?？臻g推進(jìn)研究所 錢祎凱 張智敏

1.引言

隨著航天事業(yè)的日益發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)研制也呈現(xiàn)了多元化趨勢，日常的試車任務(wù)數(shù)量也成倍的增加，所以如何提高試車成功率和質(zhì)量成為了測控的工作重點(diǎn)與難點(diǎn)。在日常試車任務(wù)中發(fā)現(xiàn)，由于原先電磁閥功率驅(qū)動(dòng)模塊的功能受原先技術(shù)水平的限制，導(dǎo)致的試車不完全成功案例有所發(fā)生。因此結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境，采用了一些目前較為先進(jìn)的技術(shù)重新設(shè)計(jì)并制作了電磁閥功率放大模塊，經(jīng)過大量的測試和實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證后表明，所設(shè)計(jì)的電路成品完全符合預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，為以后每一次的成功試車打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

2.1 控制通道的組成

控制通道主要有計(jì)算機(jī)，執(zhí)行器，功率放大器，和負(fù)載組成。其中計(jì)算機(jī)的作用是試車指令程序的編寫，下傳，試車實(shí)時(shí)監(jiān)控。執(zhí)行器的作用是接收試車指令程序，根據(jù)程序輸出信號(hào)。

執(zhí)行器一般輸出功率較小，需要增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大，原先電磁閥驅(qū)動(dòng)電路采用了兩個(gè)三極管的經(jīng)典線路，控制回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，其電壓與線路電流成正比，將此信號(hào)接人測量儀器就可以采集控制回路的電流了。其控制部分的參考電路圖如圖1。

2.2 經(jīng)典電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)

該經(jīng)典電磁閥驅(qū)動(dòng)電路具有很好的性能價(jià)格比，其價(jià)格較為低廉，經(jīng)長期使用，其性能表現(xiàn)也較為可靠，并且其響應(yīng)速度很快，又易于維修。

但該經(jīng)典電磁閥驅(qū)動(dòng)電路也有不足的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)采樣電阻的功率和阻值選取較困難。

(2)控制和電流采集之間無隔離，采集信號(hào)容易受到干擾。

(3)采樣電阻串聯(lián)回路內(nèi)對(duì)整個(gè)測控系統(tǒng)來說，壓降偏大，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。

(4)T2三極管的過載能力較差。

3.電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)

3.1 功放電路中的電流采集改為霍爾電流傳感器

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall，1855—1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。

在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。

功放電路中的電流采集改為霍爾電流傳感器，根據(jù)霍爾電流傳感器的原理，采集電流時(shí)不存在串聯(lián)的阻抗問題，所以這樣采集到的電磁閥電流為真實(shí)的電磁閥工作電流，相比之前驅(qū)動(dòng)電路，大幅提高了試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖1 功率放大器原理圖(主要部分)

3.2 增加光耦隔離模塊

為避免數(shù)模地之間的干擾，電路增加了光耦隔離模塊。

光耦的作用是保護(hù)試驗(yàn)控制設(shè)備，如plc避免強(qiáng)電導(dǎo)致plc損壞。

在電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號(hào)，若電路的抗干擾能力差將導(dǎo)致測量、控制準(zhǔn)確性的降低，甚至產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而帶來破壞性的后果。因此，若硬件上采用一些設(shè)計(jì)技術(shù)，破壞干擾信號(hào)進(jìn)入測控系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。事實(shí)證明，采用隔離技術(shù)是一種簡便且行之有效的方法。隔離技術(shù)是破壞“地”干擾途徑的抗干擾方法，硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電→光→電的隔離，它能有效地破壞干擾信號(hào)的進(jìn)入，可靠地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，并容易構(gòu)成各種功能狀態(tài)。

光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

表1 兩種電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信噪比大為提高，主要有以下幾方面的原因：

(1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。

(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小(2pF以內(nèi))的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

(3)光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。

(4)光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10μs左右，適于對(duì)響應(yīng)速度要求很高的場合。

3.3 采用場效應(yīng)管

為了提高電路帶負(fù)載能力，將原先功放板上的晶體三極管由大功率場效應(yīng)管代替。

場場效應(yīng)管與晶體管比較有以下區(qū)別。

效應(yīng)管控制工作電流的原理與普通晶體管完全不一樣，要比普通晶體管簡單得多，場效應(yīng)管只是單純地利用外加的輸入信號(hào)以改變半導(dǎo)體的電阻，實(shí)際上是改變工作電流流通的通道大小，而晶體管是利用加在發(fā)射結(jié)上的信號(hào)電壓以改變流經(jīng)發(fā)射結(jié)的結(jié)電流，還包括少數(shù)載流子渡越基區(qū)后進(jìn)入集電區(qū)等極為復(fù)雜的作用過程。場效應(yīng)管的獨(dú)特而簡單的作用原理賦予了場效應(yīng)管許多優(yōu)良的性能。

場效應(yīng)管功放優(yōu)點(diǎn)：

(1)內(nèi)阻低，高輸入阻抗容易驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗隨頻率的變化比較??；

(2)輸入結(jié)電容小(反饋電容)，輸出端負(fù)載的變化對(duì)輸入端影響?。?/p>

(3)電源利用率高；

(4)驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)；

(5)場效應(yīng)管更好的熱穩(wěn)定性，抗輻射性和較低噪聲；

(6)轉(zhuǎn)換速率較高，高頻特性好。

3.4 控制輸出保護(hù)

在日常試車任務(wù)中曾發(fā)現(xiàn)由于電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)問題，導(dǎo)致了2次點(diǎn)火失敗。經(jīng)事后查明，原驅(qū)動(dòng)電路采用了2級(jí)放大模式，試車期間，由于第1級(jí)功率放大模塊的末端有異常輸出信號(hào)，導(dǎo)致了2級(jí)功率放大模塊的門電路得到信號(hào)而誤開啟電磁閥。而如今的設(shè)計(jì)完全避免了此類事件的再次發(fā)生，采用了直接1級(jí)功率放大模塊，在門電路沒有信號(hào)的情況下，不會(huì)產(chǎn)生令電磁閥誤動(dòng)作的輸出信號(hào)，從而保證了試車的正常運(yùn)行。

3.5 電路線路圖

電路經(jīng)過重新排版并且增加了采集模塊的電磁屏蔽，盡量減少回路環(huán)的面積，增加接地環(huán)路的線寬，有效的降低了系統(tǒng)的耦合噪聲和系統(tǒng)對(duì)采集系統(tǒng)的干擾，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路參考線路圖見圖2。

4.調(diào)試結(jié)果與總結(jié)

4.1 調(diào)試結(jié)果

圖2 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路參考線路圖(主要部分)

圖3-1 脈沖曲線

圖3-2 穩(wěn)態(tài)曲線圖3-3 電磁閥開啟反電勢曲線

電路經(jīng)過重新排版后，經(jīng)幾次調(diào)試后得出了較滿意的結(jié)果。功放電路中的電流經(jīng)計(jì)算機(jī)采集，其主要特性圖如3-1、3-2、3-3與3-4。

圖3-4 電磁閥關(guān)斷反電勢曲線

4.2 總結(jié)

改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)電路有以下特點(diǎn)：

(1)采用了串聯(lián)回路的霍爾電流傳感器就不存在采樣電阻的問題。

(2)傳感器內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)了采集和控制系統(tǒng)的線性隔離.避免了前端干擾對(duì)測量的影響。

(3)采用了場效應(yīng)管，提高電路帶負(fù)載能力。

(4)采用了直接1級(jí)功率放大模塊，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

[1]張智敏,何唯中.基于Lab Windows/CVI的通道隔離系統(tǒng)[J].空間推進(jìn):上海空間推進(jìn)研究所,2010.

[2]霍爾傳感器.http://baike.baidu.com/view/614188.htm.