運載火箭控制系統電磁繼電器消反峰電路分析與MULTISIM仿真

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(1.北京航天自動控制研究所，北京 100854; 2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

運載火箭控制系統電磁繼電器消反峰電路分析與MULTISIM仿真

余力凡1,馬紅梅2

(1.北京航天自動控制研究所，北京100854; 2.航天恒星科技有限公司，北京100086)

運載火箭控制系統中大量使用了電磁繼電器，繼電器線圈斷電時會產生反峰電壓，形成很強的電磁干擾；這種干擾一方面很容易擊穿驅動繼電器工作的晶體管，造成系統功能的損壞，另一方面可能影響運載火箭精密儀器的正常工作；為了消除這種反峰電壓，控制系統中經常采用兩種消反峰電路；對兩種電磁繼電器消反峰電路設計進行了理論分析與計算，比較了“二極管+電阻”電路與“電阻+二極管+穩壓二極管”電路的消反峰效果，并使用MULTISIM進行了仿真，發現“電阻+二極管+穩壓二極管”電路消反峰效果更好，對于要求快速泄放反峰電流的電路應采用“電阻+二極管+穩壓二極管”的消反峰電路。

運載火箭；電磁繼電器；反峰電壓；MULTISIM

0 引言

電磁繼電器在控制電路中有獨特的電氣、物理特性，其斷態的高絕緣電阻和通態的低導通電阻，使得其它任何電子元器件無法與其相比，加上繼電器標準化程度高、通用性好、可簡化電路等優點，所以繼電器廣泛應用在航天、航空、軍用電子裝備、信息產業及國民經濟的各種電子設備中。繼電器腔體內主要由線圈、銜鐵和兩組或多組簧片等組合成[1]。圖 1為電磁繼電器的結構原理圖。當線圈通電后，線圈的激磁電流產生磁場，銜鐵在空氣隙處受到電磁吸力的作用。當電磁吸力大于彈簧的拉力時，銜鐵動作，吸向鐵芯，從而帶動與之相連的動簧片產生動作，使原先并使原先斷開的觸點(稱常開觸點或動合觸點)閉合。當線圈斷電后，銜鐵在彈簧的拉力作用下又回到其起始位置，相應地，觸點也回到起始狀態。

由圖1可知繼電器的線圈是一個電感，繞組中又有銜鐵，因此在繞組通電后要貯存磁能，在繼電器繞組斷電的瞬間，磁能釋放會產生很高的反向電動勢PIV(Peak Inverse Voltage)，這個瞬間反向電動勢形成的脈沖尖峰可能干擾其它電路的正常工作。

運載火箭控制系統中無論是箭上飛行控制系統還是地面測試發射控制系統均大量地使用了電磁繼電器。繼電器從接通狀態到斷開狀態會產生反峰電壓，這種電壓如不加以消除會干擾電路的正常工作[2]。線圈斷開瞬間的反峰電壓比正常電壓高幾十倍，一方面很容易擊穿驅動繼電器工作的晶體管，造成系統功能的損壞，另一方產生很強的電磁干擾，可能影響控制系統的精密儀器的正常工作。因此，在控制系統的設計規范中要求電磁繼電器在使用中必須采取消反峰措施。

1 兩種消反峰電路介紹

為了解決繼電器線圈斷電瞬間產生的反向電動勢，一般的做法是在繼電器繞組兩端反向并聯一個二極管，如圖2所示。當線圈斷電時，貯存在線圈中的能量通過二極管與線圈組成的回路進行泄放，如圖3所示。

圖2 二極管消反峰電路圖3 二極管消反峰電路泄放回路

此種消反峰電路最簡單但是在控制系統的實際設計電路中會增加一個電阻與二極管串聯后再與繼電器線圈并聯，主要目的是為了防止二極管反向擊穿導致繼電器線包被短路，導致繼電器控制功能失效。如圖4所示。

1.1 “二極管+電阻”消反峰電路分析

由圖4可知，當開關k閉合后，繼電器線圈加電，當k斷開時繼電器線圈、電阻R、二極管V構成了反峰電壓泄放回路。設繼電器線圈電阻為r，電感為L，消反峰電阻為R，線圈產生的反峰電壓為U1。線圈斷開瞬間等效電路如圖5所示。

圖4 “二極管+電阻”消反峰電路圖5 “二極管+電阻”消反峰等效電路圖

C-K方程為：

注：此處忽略了二極管的壓降。

求解此微分方程:

(1)

由圖5可知，繼電器斷開時產生的反峰電壓U1表達式為:

(2)

反峰電壓UI曲線如圖6所示。

圖6 “電阻+二極管”反峰電壓波形

由放電常數τ的表達式可知，消反峰電阻R的阻值越大，τ越小，反峰電壓的下降速度越快，但是，從公式(2)可以看出，在繼電器線包斷開瞬間的最高反峰電壓會隨著R的增大而提高，R阻值對反峰電壓的影響如圖7所示。

圖7 消反峰電阻與反峰電壓的關系

從電路設計角度，當然希望反峰電壓能迅速下降，但是其代價是反峰電壓會提高，這又是控制系統電路設計中不希望的結果。因此，如何選擇消反峰電阻R的阻值是一個權衡利弊的過程。在實際工程中，對反峰電壓的幅值更為關注，一般要控制在10 V以內，對其下降速度反而沒有過多的要求，那么根據公式(2)就基本可以確定R電阻的阻值了。

1.2 “電阻+二極管+穩壓二極管”消反峰電路分析

在某些特定的情況下，要求在不增加反峰電壓的情況下要加快反峰電壓的泄放速度，如何解決這個矛盾呢？在這種情況下可以使用“電阻+二極管+穩壓二極管”的消反峰電路，如圖8所示。

穩壓二極管也稱作齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結型硅半導體二極管。當反向電壓加到某一定值時，反向電流急增，產生反向擊穿。當反向電流小于某一值時，穩壓二極管進入反向截止狀態[3]。當開關k斷開時圖8所示電路中的反峰電流如圖9所示。

圖9中V1為穩壓二極管反向擊穿電壓，線圈斷電瞬間，C-K方程為：

求解此微分方程:

Ldi2+i2(r+R)dt-V1dt=0

圖8 “電阻+二極管+穩壓二極管”消反峰電路圖9 “電阻+二極管+穩壓二極管”消反峰電路

(3)

反峰電壓U2表達式為：

整理得到：

(4)

2 兩種消反峰電路的比較分析

MULTISIM是NI(美國國家儀器有限公司)推出的以WINDOWS為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路的設計、仿真工作。它包含了電原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

在對兩種電磁繼電器消反峰電路進行了原理分析后，對消反峰電路效果使用MULTISIM進行仿真。

以控制系統中常用的電磁繼電器消反峰電路為例，可設r=820 Ω，R=60 Ω，U1=28 V，L=10 H，V1=15 V，對兩種消反峰電路的反峰電壓進行仿真。

首先對“電阻+二極管”消反峰電路情況進行仿真，搭建電路如圖10所示，用示波器觀察反峰電壓的變化情況，仿真結果如圖11所示。從圖11可以看出，反峰電壓從2.047 V下降到0 V用了43.9 ms。

圖10 “電阻+二極管”消反峰仿真電路

圖11 “電阻+二極管”消反峰仿真結果

在圖10基礎上增加穩壓二極管，對消反峰效果進行仿真，搭建電路如圖12所示，用示波器觀察反峰電壓的變化情況，仿真結果如圖13所示。從圖13中可以看出反峰電壓從2.047 V下降到0 V只用了12.151 ms。

圖12 “電阻+二極管+穩壓二極管”消反峰仿真電路

圖13 “電阻+二極管+穩壓二極管”消反峰仿真結果

從兩種消反峰電路的分析及仿真效果來看，增加了穩壓二極管后的反峰電壓下降很快，但反峰電壓的最大值并沒有提高，既滿足了快速泄放的要求，又沒有提高反峰電壓，可應用于對泄放時間有要求的電路。

3 結束語

通過對兩種電磁繼電器消反峰電路的分析與仿真，可知對于反峰電流泄放時間要求不高電路，采用“二極管+電阻”的消反峰電路即可，而對于要求快速泄放反峰電流的電路應采用“二極管+電阻+穩壓二極管”的消反峰電路。

[1] 孫 靜，胡會能，王 全，等．航天用電磁繼電器的常見失效模式及機理分析[J]．宇航材料工藝，2000(S)；247-249.

[2] 華興潮.消除電感性器件反峰電路初探[J].聊城師院學報(自然科學版)，1998,11(1):47-49.

[3] 康華光，電子技術基礎(模擬部分)[M].北京：高等教育出版社，2005.

AnalysisandMULTISIMSimulationofElectromagneticRelayAnti-PIVCircuitinLaunchVehicleControlSystem

Yu Lifan1,Ma Hongmei2

(1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China; 2.Space Star Technology Co., Ltd., Beijing 100086,China)

A large number of electromagnetic relays are used in Launch vehicle control system. When the relay coil power off it will generate a peak inverse voltage, forming a strong electromagnetic interference.On the one hand this kind of interference easy to breakdown the transistor , resulting in damage to the system function, on the other hand may affect the normal operation of the precision instruments. In order to eliminate this peak inverse voltage, two kinds of Anti-PIV(Peak Inverse Voltage) circuits are often used in the control system. The design and calculation of the Anti-PIV circuit of the two kinds of electromagnetic relays are compared and calculated. The “diode+resistance” circuit is compared with the “resistor+diode+zener diode”circuit of the Anti-PIV effect, and the use of MULTISIM simulation, found that“resistance+diode+Zener diode”circuit is better.For the rapid release of Peak Inverse Voltage the“Resistance +diode+Zener diode”Anti-PIV circuit should be chosen.

Launch vehicle; electromagnetic relay; anti-PIV circuit; multi-SIM

2017-04-24；

2017-05-23。

余力凡(1976-)， 男，浙江紹興人，高級工程師，主要從事電子通信及電氣系統集成設計方向的研究。

1671-4598(2017)11-0055-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.014

TP3

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