某箭載指令接收機繼電器觸點粘連問題分析

劉來方

（中國西南電子技術研究所，四川成都，610036）

0 引言

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

在某次任務的總裝廠房測試中，出現了指令繼電器常開觸點一直保持閉合的故障，系統表現為虛指令輸出。經過對該故障的排查分析，故障最終定位于指令繼電器觸點粘連。

繼電器廣泛應用于航天系統的各個領域，其主要功能是采用小電流隔離控制大電流，在火箭各分系統的電子設備中廣泛使用，繼電器的可靠使用與否直接關系到火箭發射的成敗。文獻[1]統計了2005-2012年衛星上出現的九起繼電器失效故障，其中五起是繼電器觸點粘連,觸點粘連是繼電器失效的主要形式。

國外Schrank Clemens,Neuhaus Alexander R等學者的一系列論文[2][3]研究了不同因素對觸點粘連影響，包括電弧持續時間、電流、器件封裝內不同的氣氛均對觸點粘連有一定影響。

經過大量的分析排查、仿真計算和試驗驗證，導致繼電器觸電粘連的原因是地面指令檢測電路的設計缺陷產生的浪涌電流，造成了箭上指令接收機繼電器常開觸點的熔焊、粘連。對造成繼電器觸點粘連的浪涌電流的來源、幅度進行了理論計算和試驗驗證，當電路存在容性負載時，提出了觸點浪涌電流的計算方法，用于評估繼電器觸點粘連的風險以及改進建議。

1 繼電器故障情況

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

圖1 箭載指令接收機的指令輸出電路

箭載指令接收機進行遙控指令的多次收發測試時，接收到某條遙控指令后，指令輸出觸點1和指令輸出觸點2閉合1s后即斷開，故障發生時，系統采集到一對指令輸出觸點一直為連通狀態，并未按既定程序斷開。

使用的繼電器為國產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行失效分析，顯微鏡下觀察到繼電器觸點粘連情況如圖2所示，兩只繼電器表面均存在燒蝕情況。失效分析的結論是兩只繼電器常開觸點短路均是由于繼電器常開觸點的中簧片與常開簧片之間燒蝕、粘連所致。

圖2 繼電器觸點粘連情況

繼電器屬于箭載指令接收機指令輸出的核心器件，根據系統FMEA分析[2]，指令繼電器觸點粘連故障是設備最為嚴重的故障之一，將導致執行機構不該動作而動作，造成最嚴重的結果是火箭發射任務失敗，因此為確保設備可靠性，需要對故障進行分析、定位，避免重復出現。

2 原因分析

航天繼電器在設計時，繼電器觸點容量降額設計均可做好，容易忽略的是容性負載、感性負載、純阻性負載在繼電器動作瞬態響應有很大的不同。很多研究均表明容性負載、感性負載會產生瞬態過壓、過流，會導致繼電器觸點簧片在閉合或分離過程中出現故障。尤其是在繼電器接口測試電路設計時，出于設備電磁兼容的設計考慮，會在設備接口輸入電路上并聯濾波電容，繼電器電路在和這些設備連接時，若容性負載的電容值較小，不會對繼電器觸點造成影響，當容性負載大到一定程度時，會導致繼電器簧片閉合瞬間產生較大的電容充電浪涌，從而造成繼電器觸點的損傷粘連，由于這種故障模式具有多次累積的效應，且導致故障的容性負載不易量化，因此故障不易事先覺察。

本次箭載指令接收機繼電器粘連故障，也從測試設備的繼電器接口電路進行分析。

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指令輸出電路簡化為開關。地面檢測電路的工作原理是，通過A/D采樣指令觸點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閉合分離抖動造成的電壓波動，電阻R1和R2主要作用是對電壓進行分壓，與ADC的接口要求進行匹配，FPGA對ADC采集的電壓進行判幅，給出是否收到遙控指令的結論。

圖3 箭載指令接收機及地面指令檢測電路

考慮繼電器觸點粘連故障的機理，該電路必定產生了繼電器觸點不能承受的浪涌電流。

2.2 浪涌電流計算

為了計算觸點的失效電流，我們對圖3電路圖進行等效，如圖4所示，其中，繼電器的一對觸點等效為開關K和觸點電阻的串聯，磁珠L1和L2等效為電感和電阻的串聯，電阻R為繼電器觸點接觸電阻、磁珠阻抗和連線電阻之和。電容C為電容C1和C2的并聯。由于電阻R1、R2阻值以及AD變換器的輸入阻抗遠大于R，其對開關K流過的電流影響忽略不計。因此，圖4進一步等效為圖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，根據基爾霍夫電壓定律，可得：

另有：

帶入（1），得微分方程：

其中，單個磁珠感抗按器件資料32nH計算，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），通過仿真軟件計算，可以得出電流的曲線如圖6所示。

圖6 電流隨時間變化的曲線

根據繼電器指標，當繼電器觸點為阻性負載時，常開觸點閉合時可以流過的額定電流為2A，容性負載時，常開觸點的帶載能力較差。經過以上計算可知，繼電器常開觸點經受2A以上的容性負載沖擊的時間約為9μs，且流經的最大電流為95A，大電流將導致繼電器觸點表面燒蝕，多次燒蝕后造成觸點粘連失效。

2.3 試驗情況

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

圖7 觸點電路瞬態電流測試

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，可觀察到采樣電阻兩端有明顯的充放電波形，經過數據整理計算，該電路中流經繼電器觸點的最大電流約為22A,2A以上電流的持續時間約為16μs,與理論計算結果比對，存在一定的差別，主要原因是理論計算中，部分參數值如電感量、電阻值存在估算誤差，但是理論數據與試驗數據沒有數量級的差別，不影響電路的風險評估，即檢測電路中在繼電器觸點閉合瞬間，電容充電存在10A量級的電流，超過了繼電器觸點所能承載的最大電流2A，經過多次大電流的沖擊，導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閉合時抖動造成的電壓波動，電容充電的浪涌電流是造成繼電器觸點燒蝕的主要原因，磁珠L1和L2主要作用是抑制和消除高頻電磁干擾，對觸點大電流基本無貢獻。

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

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

圖9 繼電器觸點閉合2000次后觸點情況

4 結束語

研究了某箭載接收機繼電器電路的故障過程，對繼電器觸點粘連的故障模式進行了分析，不同于其它文獻對浪涌電流導致繼電器觸點粘連的定性描述，本文提出了繼電器觸點容性負載浪涌電流的一般計算方法，可評估電路風險，在工程應用中有較強的指導意義，根據本文的計算分析，在高可靠工程應用中，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行電磁兼容。