基于光耦控制的供氣活門方向控制異常故障分析及研究

李向明 李玉芳

摘要：通風冷卻系統供氣活門的方向控制采用了光耦控制技術，在使用過程中出現了方向控制異常故障，針對供氣活門方向控制機理，對光耦的輸入輸出端電路設計進行了理論分析和計算，給出了系統改進方案。

Abstract： The direction control of the air supply valve of the ventilation and cooling system adopts the optocoupler control technology， and there is an abnormal direction control fault in the use process. According to the direction control mechanism of the air supply valve， the input and output design of the optocoupler is? analyzed and calculated theoretically. And the system improvement scheme is given.

關鍵詞：供氣活門;方向控制;光耦控制技術

Key words： air supply valve;direction control;optocoupler control technology

中圖分類號：S274.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0261-03

0? 引言

現代飛機適應環境越來越復雜，使用頻率越來越高，機載設備的控制設計集成度越來越高，重量越來越輕，可靠性設計要求也越來越高，因此，傳統采用小電壓控制另一個大功率開關的開關功率放大繼電器慢慢被采用一個信號控制另一個信號的起電隔離而能進行信號傳遞的光耦所取代，采用光耦進行邏輯控制，既能很好的進行信號傳遞，還具有良好的電氣絕緣和信號隔離作用[1][2]。光耦具備它特有的優點，但其在集成電路中的匹配設計需要合理設計，否則會帶來相反的輸出結果[3]。

1? 供氣活門方向控制故障描述

通風冷卻系統在使用過程中，系統頻繁報出超溫告警故障，經系統分析，系統出現超溫的可能原因為系統中的供氣活門工作出現了異常。采用工作電流檢查法和工作電壓檢查法[4]對可能引起系統超溫的活門開啟/關閉工作電流和方向控制信號進行測量，見圖1、圖2，發現供氣活門方向控制信號出現異常。

2? 供氣活門方向控制機理

供氣活門方向控制的機理見圖3、圖4，由圖4電路可知，控制器內不僅有控制活門工作方向的“地/開”信號，同時對該指令信號進行回繞檢測，以識別控制器給定的指令是否正確，具體如下：

①當系統要求供氣活門開工作時，控制器內光耦D3導通，F/R拉低至地，此時控制器內光耦D2和活門工作線路內光耦D1不開通，FWRE電壓等于Vref的高電平;

②當系統要求供氣活門關工作時，控制器內光耦D3不導通，F/R為“開路”信號，但實際上由于回繞檢測電路的存在，F/R信號也通過500Ω的固定電阻負載和光耦D2在控制器內形成回路，由于控制器原理及電路參數和活門內一致，會造成供氣活門內電流的分流，對光耦D1的開通性能產生一定的影響。

3? 故障原因分析

3.1 供氣活門控制電路分析

由圖3可知，供氣活門電機方向控制功能由專用芯片MC33035DW實現，芯片具有專門的電流檢測引腳，其內部為過流比較器（門限制為0.18V），當外部輸入電平超過0.18V時，控制芯片關斷PWM[5]，從而達到限流作用。MC33035DW的輸入高電平的最低值為（2.2～3）V，低電平的最高值為（0.8～1.7）。當輸入信號為高電平時，產品向開方向運動;當輸入信號為低電平時，產品向關方向運動。為確保產品可以正常工作，主控電路MC33035DW接收的方向信號FWRE應該保持低電平即0.8V以下。

供氣活門電機方向控制的限流電阻為0.1Ω，其理論工作電流最大為1.8A。由于電阻參數的偏差、以及線路上的阻抗，實際的限流值與理論計算略有偏差。設備實測啟動電流最大值為1.5A（持續時間約20ms），穩定工作時的電流約為0.2A。

3.2 光耦原理

當輸入端的電流信號If驅動內部的發光二極管，使之發出一定波長的光，被光檢測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后形成輸出電流Ic。輸出電流與輸入電流的傳輸比是光耦的重要指標。光耦能不能正常工作，取決于前級電流、傳輸比、后級電流的綜合匹配，三者緊密聯系。本設備的光耦為北光電子的GH281-4，光耦的傳輸比為（100～150）%。

3.3 電路計算

3.3.1 內部電路供電電

壓Vi

查電氣線路更改記錄，發現做過浪涌抑制電路的改進，將浪涌抑制電路調整至設備電源的輸入端，不僅對控制電路，也對電機的驅動模塊進行保護，可以避免高電壓對設備內部器件的沖擊下失效，見圖5，圖6。但是，由于電阻串聯至整個電源回路，會造成電阻R30上存在較大的分壓，尤其是在啟動瞬間大電流的情況下。設備啟動時短時最大電流為1.5A，此時R30上的短時分壓達到了15V，去除二極管V8約1V的壓降，實際Vi電壓為12.5V。

3.3.2 光耦前級電流If[6]

對供氣活門方向控制電路的電流進行計算[6]，見圖3。

光耦前級內的二極管上的壓降約為1V，計算通過電阻R24的電流約為Ii=（12.5-1）V÷（4.7+0.25）k？贅=2.32mA。由于控制器回繞檢測電路與活門驅動電路光耦前級電路參數一致，因此電流均分，實際進入活門驅動電路光耦的前級電流約為1.16mA。

3.3.3 光耦后級電流Io及FWRE電壓[6]

光耦的傳輸比為（100～150）%，按光耦最低的傳輸比100%計算，其后級輸出電流Io為1.16mA。

光耦輸出端FWRE的上拉電阻R28阻值為2kΩ，計算FWRE的電壓為V=Vref-IO×R28=6.25V-1.16mA×2kΩ=3.93V。該電平在MC33035DW識別的高電平范圍內，在其上會使活門持續開方向工作，最終報超溫故障。

3.4 結論

經復查電路和計算分析，問題原因由浪涌抑制電路更改引起，在浪涌抑制電路更改后，未對活門方向控制邏輯線路阻值匹配進行重新校核，導致內部電壓Vi經浪涌抑制電路處理后降低，其直接導致光耦前級電流、后級電流的減小，從而影響光耦FWRE電平。

4? 解決措施

為保證在供氣活門啟動瞬間，方向信號FWRE可以保持低電平，對電路的其它性能不變的情況下綜合考慮以下措施，在圖4中優化下列參數：電阻R31由0.1Ω更改為0.2Ω，以減小啟動時的電流值，減小前端電路壓降;光耦前級的電阻R24由4.7kΩ更改為3kΩ、R23由500Ω更改為200Ω，以增大光耦前級電流：光耦后級的上拉電阻R28由2kΩ更改為4kΩ，以降低輸出端在低電平時的電壓值。

對電路進行計算[6]，電源電壓28.5V，啟動瞬間最大電流值1A，則在10Ω電阻上的壓降為10V，二極管V8壓降按1V計算，R24的入口電平約為Vi=17.5V，R24的電流為5.2mA。由于產品的R23電阻調整至200Ω，對電流的分配比例為5/7，因此光耦前級電流約為3.7mA，后級電流為3.7mA，FWRE輸出上拉電阻R28增大至4kΩ，乘積遠大于6.25V的Vref，因此可以保證光耦完全開通，達到低電平。

5? 結論

經過對基于光耦控制的供氣活門工作異常故障從工作機理進行分析，確認故障原因為浪涌抑制電路改進引起，在供氣活門啟動工況下，因較大啟動電流在浪涌抑制電路上產生較大的分壓從而導致供氣活門在接收控制器方向控制指令時，內部的方向信號電平高于專用控制芯片MC33035DW可識別的最高低電平，造成供氣方向控制功能異常。

基于光耦工作特性的工作原理，通過調整供氣活門方向控制電路的部分電阻參數，有效解決了故障問題。

參考文獻：

[1]章圣焰.淺談光耦的使用方法[J].航空電子技術，2015，46（4）：51-52.

[2]卜建平.光電耦合器的應用與使用注意事項[J].電子設備世界，2011（4）：48-49.

[3]張巖.光耦在直流電機驅動系統中的應用[J].電子技術，2017（10）：67-68.

[4]段懷敏.淺談機電設備的電氣線路故障分析與處理[J].科技創業家，2012（10）：81-82.

[5]孔德杰.高精度中頻雙極性PWM信號發生器的FPGA實現，國外電子測量技術，2015，34（11）：32.

[6]付麗娟.光耦合器組成的模擬信號放大電路分析與設計[J].電子測試，2018（3）：79-80.

作者簡介：李向明（1973-），男，陜西臨潼人，碩士，高工，研究方向為飛機總體設計及型號管理。