基于互鎖雙指令控制的電磁閥驅動電路設計

張聲艷 榮 剛 王健康 劉 飛

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076)

1 引 言

電磁閥作為電液系統重要控制轉換元件，廣泛用于各種工業控制、航空航天等領域[1]。在航天動力系統中，電磁閥主要用于飛行器發動機的噴管控制，通過控制電磁閥線圈的吸合和釋放來控制發動機的持續時間，以滿足不同工況下發動機的噴射要求，從而實現為飛行器變軌、離軌、交會、在軌和再入初段姿態穩定提供俯仰、偏航和滾動控制推力。因此為了實現電磁閥的快速開啟與關閉，除了電磁閥線圈本身的快速響應特性外，高可靠的閥門驅動電路也是保證電磁閥可靠工作的必要條件。

對于電磁閥驅動電路，從結構形式上，通常有單臂橋式、推挽式、半橋式、全橋式四種驅動電路結構形式，文獻[2]中詳細分析了四種電路結構的優缺點。從控制形式上，有可調電阻式、雙電壓式、脈寬調制式，文獻[3]中詳細分析了三種控制形式的優缺點。但是上述文獻中設計的驅動電路均難以滿足航天動力系統電磁閥高可靠及強實時的推力控制要求。

通常，電磁閥驅動電路一般采用雙機冗余設計形式，也有三取二表決、五取三表決的設計形式[4～7]。針對某類安裝空間及重量強約束條件下的飛行器動力系統電磁閥控制，提出了一種基于互鎖雙指令控制的電磁閥驅動電路設計方案，可有效實現二度故障下閥門的有效開啟與關閉。

2 控制方案設計

2.1 驅動電路設計

動力系統電磁閥功能直接影響發動機的工作狀態，通常控制系統對動力系統電磁閥控制實時性響應要求在ms量級。因此為實現電磁閥有效控制，且考慮體積重量等因素，動力系統電磁閥驅動電路采用雙機組控制方案[8]。當發動機在短脈沖工作模式下，電磁閥保持開啟和關閉的時間特別短，在出現故障情況下，為了實現對電磁閥控制的無縫切換，設計采用主備機同時控制的方式實現對電磁閥的控制。同時為了保證驅動電路的可靠性，采用邏輯相反的互鎖指令與串并聯設計的閥門驅動電路結構形式，驅動電路控制原理如圖1所示。

圖1 雙指令與串并聯驅動電路控制原理圖Fig.1 Schematic of the dual command and series-parallel drive control circuit

電磁閥采用負控設計，為保證控制可靠性，對輸入驅動MOSFET開關電路的指令進行了冗余設計。以A機為當班機為例，A機DSP輸出的控制指令1經指令鎖存、升壓電路后輸出至MOSFET(k11)，控制指令2經邏輯取反后，再經指令鎖存、升壓電路輸出至MOSFET(k12)，B機設計同理，然后A機、B機同時輸出指令并聯控制電磁閥。MOS管冗余控制有效指令為第一控制指令為“1”電平和第二控制指令為“0”電平有效，其中“0”電平經邏輯取反電路處理后輸出至指令鎖存電路。

采用MOS管并聯的方式，防止了MOS管斷路失效，可以有效解決閥門無法開啟的問題。對單份驅動電路采用兩個MOS管串聯的方式，防止了MOS管短路失效；采用邏輯相反的互鎖指令控制方式，避免了自DSP數據I/O引腳輸出到驅動電路k11、k12、k21、k22鏈路過程中，出現常高電平導致雙MOS管導通，從而影響閥門不能正常關閉的問題。

2.2 指令監測電路設計

為實現對電磁閥開啟線圈的監測，傳統上一般采用霍爾電流傳感器監測閥門開啟時的電流，但是霍爾傳感器體積較大，對于路數較多的應用場合，體積及重量不允許使用。針對這樣的應用場合，本文在驅動指令輸入端采用電阻分壓的形式，由于電磁閥為感性負載，加之閥門響應時間特性，閥門驅動電路采集電壓不能設置在電路末端，單機將采集點設置在指令輸入端。

當電磁閥通電指令發出時(高電平約12V)，通過分壓電路得到的電壓理論值為4V，當電磁閥通電指令不發出時，分壓電路得到的電壓理論值為0V，A、B點為主機驅動電路指令電壓采集點，C、D點為備機驅動電路指令電壓采集點，如圖2所示。

圖2 指令監測電路Fig.2 Instruction monitoring circuit

3 控制流程設計

主備機分別接收控制系統發送的外部輸入指令，為了避免因控制系統輸入的兩路控制指令不同步問題所導致的閥門控制脈沖展寬，設計利用DSP的雙口RAM及McBSP總線在A機和B機之間設計了通信內總線，在每一個通信周期內，先收到外部控制指令的一機通過內總線將相關指令數據通過內總線傳遞給另一機，通過內總線接收到數據的單機不再執行該周期內的外部總線指令，詳細控制流程如圖3所示。

內總線通信和外部總線通信采用中斷的方式接收，在軟件中設定使用先到中斷中的指令數據，對于后到中斷，如果指令數據中包含的幀計數與軟件記錄的幀計數相同則不予執行。軟件對指令數據中的幀計數進行記錄和判斷，在每一個控制周期內，指令執行前都比對指令數據內幀計數和軟件記錄幀計數，指令執行完成后都對指令幀計數進行更新，防止漏指令的情況。設計硬件“看門狗”控制電磁閥關閉電路，當DSP處于“跑死”或“跑飛”的情況無法正常控制電磁閥時，可由“看門狗”輸出的復位信號將所有電磁閥關閉。同時，軟件可靠性設計方面，通過過程數據三模冗余設計，程序取數時進行數據比對，選用至少兩份相同的數據，確保電磁閥控制指令能夠正確執行。

圖3 控制流程設計Fig.3 Design of the valve control flow

4 結果分析

4.1 仿真結果分析

以150N電磁閥為例，建立Multisim仿真模型如圖4所示。由4個NMOS管組成主備驅動電路，每個MOS管的柵極由不同的開啟信號控制，其中取反指令通過反相器實現；脈沖控制信號按照10ms控制周期產生，每次開啟連續工作40ms，間歇60ms后再次開啟。

設定初始條件后開始仿真，得到的仿真結果如圖5所示。其中圖5(a)分別表示Q1～Q4正常開啟，圖5(b) 表示Q1～Q2開啟，Q3～Q4關閉，圖5(c) 表示Q1～Q2關閉，Q3～Q4開啟，圖5(d) 表示Q1開啟，Q2～Q4關閉。從圖中可以看出，圖5(a)～ 圖5(c)仿真結果完全相同，說明單份驅動電路與主備驅動電路同時控制的響應一致。

4.2 實測結果分析

在實驗室環境下，搭建電磁閥測試平臺，由于驅動電路中設計了電壓監測點，測試平臺中串入霍爾電流傳感器，監測150N電磁閥電流開啟響應曲線，實測結果如圖6所示。可以看出，從150N 電磁閥線圈通電到閥芯動作存在約10ms的時間，但截至線圈建立穩定電流的時間存在30ms～40ms的滯后時間，這說明如果電磁閥線圈需工作在穩態電流條件下，則MOS管開啟控制信號至少要大于40ms，這與仿真條件開啟40ms的高電平仿真條件基本一致。

圖4 150N電磁閥驅動電路仿真模型Fig.4 Simulation model of the 150N electromagnetic valve drive circuit

(a)主開備開 (b)主開備關 (a)Main and the backup open (b)Main open and the backup shutdown

(c)主關備開 (d)主關備關 (c)Main shutdown and the backup open (d)Main and the backup shutdown圖5 150N電磁閥驅動電路仿真結果Fig.5 Simulation results of 150N electromagnetic valve drive circuit

圖6 電磁閥開啟電流響應曲線Fig.6 Current response curve of the electromagnetic valve

5 結束語

動力系統電磁閥功能直接影響發動機的工作狀態，為實現電磁閥有效控制，且考慮體積重量等因素，提出了一種基于互鎖雙指令控制的電磁閥驅動電路設計方案。基于負控驅動原理，采用雙指令及串并聯驅動的電路結構形式，建立了電磁閥仿真驅動模型及電磁閥測試平臺，仿真及測試結果表明，可以有效的保證系統控制的穩定性。