控制開關周期的高壓電容電壓無反饋維持方法

蘇　鋒，康興國，鄭　松

(機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

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控制開關周期的高壓電容電壓無反饋維持方法

蘇鋒，康興國，鄭松

(機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

摘要:針對引信電子安全系統在充電升壓過程中反饋回路失效有可能造成過充的問題，提出了電子安全系統控制動態開關周期的高壓電容電壓無反饋維持方法。該方法需要在高壓維持開始時刻，通過反饋電路采集得到不同環境下漏電流參數，由此算出高壓電容電壓維持的動態開關控制周期，然后斷開反饋電路，在無反饋條件下維持電壓穩定。試驗驗證結果表明，該方法的使用能夠排除高壓反饋失效的影響，高壓充電時通過動態開關合適的開關周期將高壓電容上的電壓維持在允許范圍內，且電路工作可靠。

關鍵詞:引信；電子安全系統； 高壓電容； 脈沖變壓器

0引言

采用直列式爆炸序列的引信電子安全系統,由接口電路、控制器、兩個靜態開關和一個動態開關、高壓轉換電路等組成[1]。引信電子安全系統解除保險過程中高壓轉換電路對電路中的高壓電容進行充電，并在充電達到目標值后維持不變。高壓電容電壓維持通常采用高壓反饋控制的方法實現。但是，電子安全系統高壓轉換電路中利用高頻變壓器進行脈沖升壓,由于高頻變壓器使用使得電路中極易產生脈沖電磁干擾[2]對高壓反饋回路造成影響，可能導致高壓反饋回路失效而造成高壓電容過充。在充電電路的輸入端和輸出端不隔離的情況下，輸出端的這一高電壓將對電路的安全性和可靠性產生很大影響[3]。

為了防止高壓反饋回路失效對引信作用可靠性造成影響，一般都是采用從變壓器原邊采樣的反饋控制電路方案[3]或者采用抗電磁干擾加固方法[4]。上述兩種方法電路簡單易于實現，但缺點在于兩種方法均為基于電壓反饋的控制方法，存在反饋回路，高壓充電維持過程中需要將采樣信號作為判據，一旦高壓采樣出現故障，仍可能出現高壓電容過充，甚至出現高壓開關過壓擊穿造成引信早炸。本文針對此問題，提出電子安全系統控制動態開關周期的高壓電容電壓無反饋維持方法。

1反饋控制電路工作原理

1.1基于變壓器原邊采樣的反饋控制電路工作原理

從高壓電容端分壓采樣的反饋控制電路直接從電容端進行電壓采樣，難以實現輸出端和輸入端的電氣隔離。何光林等人在文獻[3]中提出了從變壓器原邊采樣的反饋控制方法，該方法原理框圖如圖1所示。該方法實現了反饋回路與電容高壓端的隔離，但是升壓變壓器在電路工作中存在漏感，動態開關工作時同樣對反饋回路產生電磁干擾，可能導致反饋失效。

圖1　變壓器原邊采樣的反饋控制原理框圖Fig.1　functional block diagram of feedback control principle of sampling from transformer original side

1.2基于高壓電容端分壓采樣的反饋控制電路工作原理

引信電子安全系統高壓電容電壓維持電路由控制器、動態開關、脈沖變壓器、高壓電容器、高壓反饋單元組成。在高壓電容電壓維持階段，控制器通過對高壓電信號進行采樣，控制動態開關工作，實現高壓電容電壓維持。高壓維持電路原理框圖如圖2所示。

圖2　高壓維持電路原理框圖Fig.2　Functional block diagram of high-voltagemaintenance circuit

安全系統高壓變換過程中，控制器輸出一定頻率的控制信號，控制升壓開關的開關閉合，驅動脈沖變壓器工作，使其完成電能-磁能-電能之間的能量轉換，將低壓轉換成高壓，通過高壓硅堆給電容充電。從高壓端采樣的反饋電路通過分壓電阻將高壓電容的電壓值通過A/D轉換反饋到控制端，輸出端的電壓僅僅通過電阻分壓反饋到輸入端。這種反饋控制設計的電路中，由于直接從高壓電容分壓得到反饋信號,難以實現輸入和輸出端的隔離。所以為防止反饋回路受到干擾，一般采用增加瞬態電壓抑制器[5]、對變壓器進行屏蔽、對可控硅進行濾波[4]等抗電磁干擾加固方法來防止反饋回路失效。

2高壓反饋失效模式下電壓維持控制方法

2.1高壓電容電壓維持控制方法

根據前面分析,在高壓維持電路的整個閉環回路中，一旦采樣反饋電路單元失效，控制器就無法對高壓電容電壓值進行有效的控制。高壓電容上的電壓既可能因為動態開關的開關周期過長而逐漸下降，不滿足起爆要求；也可能因為動態開關的開關周期過短而逐漸上升，造成過充。為了防止高壓反饋回路失效造成高壓電容電壓不可控，實現高壓電容的無反饋電壓維持，需要找到動態開關的最佳開關周期，實現單位時間內高壓電容的損耗量和充電量的動態平衡。

只需要得到高壓電容的漏電放電時間常數τ，就能夠計算出無反饋模式下高壓電容進行高壓維持的動態開關控制周期，從而實現高壓電容電壓值的動態補償。但是相同規格的高壓電容個體之間存在差異，而且該參數受溫度環境影響較大。要得到高壓電容的漏電放電時間常數，只能在電路工作過程中實時測量。

高壓電容電壓維持無反饋控制原理框圖如圖3所示。圖3中開關K的閉合和斷開表示反饋回路通斷，該開關受控制器控制，初始狀態為閉合。工作過程為：控制器在高壓電容進行電壓維持的開始時刻，利用反饋回路采集高壓電容在不同環境下的漏電流參數，計算出放電常數，進而計算出高壓電容電壓維持的動態開關控制周期T1，控制器控制動態開關按此周期工作，然后斷開開關K，實現高壓電容電壓維持的無反饋控制。

圖3　高壓電容電壓維持無反饋控制原理框圖Fig.3　Non-feedback control functional block diagram of high-voltage capacitor maintenance

2.2動態開關的開關周期計算

高壓電容的充放電等效電路圖如圖4所示，圖中U1為低壓電源，Q為動態開關，V為控制脈沖信號，R1、R2分別為變壓器T原邊、次邊等效電阻，L1、L2為變壓器T原邊、次邊等效電感，D為高壓硅堆，U2為高壓電容C兩端電壓，R3為高壓電容等效漏電阻，i1、i2、ic分別表示圖中電流。脈沖變壓器工作過程中根據工作形式不同分為電能磁能轉化、磁能電能轉化兩階段。由于電能轉化磁能階段對于升壓效率影響較小，下面僅對磁能轉換成電能進行分析。在這過程中為方便分析將脈沖變壓器等效為理想變壓器，耦合系數為1。

圖4　高壓電容的充放電等效電路圖Fig.4　Equivalent circuit of the chargingand discharging process from high-voltage capacitor

設在t0時刻動態開關閉合，t1時刻電能完全轉化為磁場能，t2時刻磁場能量完全轉化成電能，此時次級線圈電流I2=0。(t1,t2)時間段內在變壓器互感作用下，變壓器次級線圈產生電流，為高壓電容器充電，高壓電容器兩端電壓為U2，同樣為了方便分析假設此時變壓器原邊電流I1=0。根據理想變壓器特性, 在t1時刻可得電流I1為:

I1(t1)=L1U1t1

(1)

由充電過程可得：

(2)

由于在實際電路中為縮短充電時間通常充電電阻很小，為方便計算將設R2=0。則可得：

U2(t)=t1ω1U1sinω2(t-t1)+

U2(t1)cosω2(t-t1)

(3)

由以上公式可以得出在一個脈沖周期內高壓電容的充電時間Δt=(t2-t1)與初始電壓U2(t1)的關系。當充電周期Δt一定時，可以得到在一個周期內高壓電容電壓的提高值。

根據公式(3)可進一步得到：

I2(t)=Cω2[T2ω1U1cosω2(t-t1)-

U2(t1)sinω2(t-t1)]

(4)

其中，T2=(t1-t0)為充電脈沖寬度。

設t2時刻由于磁場能量完全轉化成電能此時次級線圈電流I2=0，可進一步得到一個充電周期內磁場能轉化成電能所需要時間：

(5)

對高壓電容充電達到目標電壓值后，由于高壓電容兩極間存在漏電流，導致電容放電。高壓電容電壓維持階段高壓電容漏電等效回路如圖4中虛線框所示。設R3為電容兩極間等效電阻，根據基爾霍夫定律有：

-R3ic+Uc(t)=0

(6)

由公式(6)可得一階微分方程：

(7)

設U21為高壓電容充電目標值，則可得高壓電容放電過程實時電壓值：

(8)

其中τ=R3C。這樣根據公式(8)就可以算出高壓電容停止充電的情況下單位時間Δt1與電容電壓的變化量ΔU2的關系:

(9)

從而得到無反饋模式下高壓電容進行高壓維持的動態開關控制周期T1：

(10)

3試驗驗證

該控制方法的實現，需要在高壓電容高壓維持開始時刻停止充電，根據公式(9)在高壓電容產生ΔU2的電壓變化量內，通過A/D采集單元采集兩組數據即可計算出τ。在高壓電容充電達到目標值U21后，控制器可以根據A/D轉換模塊采集到的信息計算出高壓電容電壓維持階段U21下降100 V所需要的時間Δt1，然后再根據公式和分別計算出Δt2和Δt3，計算出各參數后，再根據公式(10)計算出高壓維持充電脈沖周期?？刂破鞑恍枰答伨涂梢暂敵鲋芷跒門1的充電脈沖來維持高壓電容的電壓值。在本文試驗驗證中，這些值的計算均由控制器通過A/D回路采集相關參數并完成計算。

該方法的實現過程中，A/D采集的精度直接關系到計算參數的精度，從而影響到高壓電容電壓維持效果。在高壓電容的電壓維持階段一般允許真實電壓值與目標電壓值存在±100 V的誤差。其中A/D輸入范圍為0～2.5 V，假設高壓電容器電壓變化范圍為0～2 000 V，這就要求采樣電路衰減系數為1：800,即每1 V對應輸出0.00 125 V，采用10位采樣A/D，基準為2.56 V，則精度為0.0 025 V，因此控制器對于高壓電容器最高分辨率為2 V，這樣完全能夠保證電壓采集的精度。

從理論上來說控制器計算精度越高，高壓電容在無反饋控制條件下進行電壓動態補償效果越好，同時對控制器的性能要求、控制軟件的復雜度均會提高，使得驗證試驗的復雜度提高。由于試驗驗證僅為了驗證高壓反饋失效模式下電壓維持控制方法的可行性，因此為了方便驗證試驗，驗證過程中通過程序設計，以脈沖變壓器為理想變壓器，互感系數為1，漏感為0，線圈匝數比n=200，初級線圈串聯等效阻抗0.1 Ω,次級線圈等效串聯阻抗50 Ω,高壓電容器電容C=0.22 μF，設初始脈沖電源峰值電壓為20 V，輸入功率20 W，充電目標電壓值為1 600 V的情況為例，在升壓階段使電壓充至1 700 V后停止充電使高壓電容電壓回落至1 600 V，A/D模塊采集整個回落過程所需要的時間。采集完數據后，為了方便對比，系統通過A/D反饋工作3.5 s后進入無反饋控制模式。通過示波器觀測控制脈沖信號和高壓電容電壓值，觀測結果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5　高壓變換工作過程Fig.5　Working process of high voltageconvertion

圖6　高壓維持數據采集過程Fig.6　Data collecting process of high voltage maintenance

圖7　高壓電容無反饋維持過程Fig.7　Non-feedback maintaining process of high-voltage capacitor

根據實驗結果，由圖5可以得出，在高壓電容高壓維持進入無反饋模式時，高壓電容電壓能夠很好地維持在1 550～1 630 V之間。由圖6實測出高壓電容電壓從1 700 V下降到1 600 V所用的計算時間Δt1=152 ms，再根據第2節的公式計算可得出理論高壓電容進行高壓維持脈沖開關的控制周期T2=2.85 ms，該計算結果與圖7中實測的控制脈沖周期T=2.77 ms相近。實驗結果表明，試驗結果與理論分析吻合。

4結論

本文提出了引信電子安全系統高壓反饋失效模式下基于控制動態開關周期的高壓電容電壓無反饋維持方法。該方法在高壓電容電壓維持開始時刻控制器通過A/D反饋回路測量出高壓電容在不同環境下的漏電流參數，根據測得的參數計算出高壓電容放電時間常數后，進一步得出控制動態開關的控制脈沖周期，然后斷開反饋電路，在無反饋條件下維持高壓電容電壓的動態平衡。實驗表明，在允許的偏差范圍內，高壓電容電壓值在反饋回路停止工作的情況下能得到很好地維持在1 600±50 V的范圍內。該方法能實現長時間的無反饋控制，很大程度地提高了電路的安全性和可靠性。該方法的使用將會在電路硬件條件不變有情況下有效地提高了高壓電容在電壓維持階段的可靠性。

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*收稿日期:2016-01-21

作者簡介:蘇峰(1986—),男，廣西北海人，碩士研究生，研究方向：引信電子安全系統。E-mail:sufeng718@126.com。

中圖分類號:TJ43

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)03-0013-04

High-Voltage Capacitor Non-response Maintain Based on Period Switch Control

SU Feng, KANG Xingguo, ZHENG Song

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Xi’an 710065, China)

Abstract:Over charge occured in electronic safety and arming system(ESA)，which attributed to the feedback loop failure in the process of charging?boost?voltage had been paid long attention in this field. In response to this issue，the period of dynamic?switch controlled by ESA lead to non-response maintained voltage in high-voltage capacitor was proposed. At the beginning of the high-voltage maintaining time，leak current data collected by reactive circuit at different environment could calculate dynamic?switch controlled period maintained by voltage of high-voltage capacitor，then disconnected the reactive circuit，the voltage could maintain stable under the condition of no feedback. The experiment showed that the measure could eliminate the affect of high-voltage feedback failure，the voltage of high-voltage capacitor could be maintained within an allowable range by the appropriate switch cycle of dynamic?switch at the high voltage charging time.

Key words:fuze; ESA; high-voltage capacitor; pulse transformer