某型地面發(fā)控點火電流異常分析和電路改進

王建國，趙 怡，畢 玉，王 俊，郭會兵

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030606）

0 引言

地面發(fā)控輸出恒定幅度和寬度的電流脈沖，以確保發(fā)動機能可靠點火。點火電流脈沖幅度和寬度決定了點火頭橋絲上的焦耳熱［1］，過小的焦耳熱無法引燃橋絲周圍的藥粉，而過大的焦耳熱會在瞬間燒斷橋絲，同樣不能引燃藥粉，這兩種情況均會導(dǎo)致點火頭激活失敗［2］。鑒于點火電流在發(fā)射過程中的重要性，地面發(fā)控點火電路在設(shè)計上是一個功能相對獨立的電路，并盡可能簡單可靠［3-5］，然而在使用過程中，點火電流幅度在某些情況下并不能滿足要求。

本文對某型地面發(fā)控系統(tǒng)點火電路進行了深入探討，通過測量點火線路線纜的阻值（包括線纜上連接器的接觸電阻）得到便于問題排查和分析的實際點火電路，再經(jīng)等效電路求出點火電流與電路中每個元器件參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進而分析出點火電流異常的原因。最后提出一種增加電流反饋環(huán)節(jié)的電路改進方案，以達到穩(wěn)定點火電流，提高點火可靠性的目的。

1 地面發(fā)控系統(tǒng)點火電路

1.1 電路組成

圖1 所示為目前地面發(fā)控點火電路，由+28 V直流電源U、地面發(fā)控裝置面板開關(guān)K1、炮長操控臺切換開關(guān)K2、炮長操控臺保險鎖K3、車外發(fā)射裝置保險鎖K4、三極管T、基極電阻R 以及火箭彈點火頭組成。為了簡化分析，地面發(fā)控裝置、炮長操控臺和車外發(fā)射裝置內(nèi)的其他電路均省略，只畫出與點火線路相關(guān)的部分。點火線路核心是一個NPN 型的大功率三極管T。

圖1 地面發(fā)控點火電路Fig.1 Ground firing control circuit

1.2 電路原理分析

點火電路總體上是一個串聯(lián)型控制電路，車內(nèi)、車外保險控制開關(guān)又構(gòu)成一個并聯(lián)電路。+28 V電源經(jīng)過地面發(fā)控裝置開關(guān)K1進入炮長操控臺切換開關(guān)K2，如果進行車內(nèi)發(fā)射，則開關(guān)K2打到in 位置，電源經(jīng)車內(nèi)保險鎖K3加到彈控板三極管T 集電極；如果進行車外發(fā)射，則開關(guān)K2打到out 位置，電源從地面發(fā)控裝置3XS18 接口繞經(jīng)車外發(fā)射裝置保險鎖K4加到三極管T 集電極。

電阻R 為三極管基極電阻，電源通過R 產(chǎn)生基極電流，控制三極管T 工作在放大區(qū)，輸出點火電流到點火頭電阻。

由于單體之間的線纜較長，點火電流會在這些線纜上產(chǎn)生壓降，影響點火電流，經(jīng)實測，從地面發(fā)控裝置到炮長操控臺車內(nèi)線阻為0.2 Ω，從地面發(fā)控裝置到車外發(fā)射裝置線阻為1.6 Ω，從地面發(fā)控裝置到火箭彈點火頭阻值為0.6 Ω，如表1 所示。

表1 各單體之間的線纜長度和阻值Table 1 Cable length and resistance value between each device

考慮上述線纜阻值，將圖1 地面發(fā)控點火電路等效如下頁圖2，圖中各物理變量：U 為地面發(fā)控供電電壓；R 為三極管基極電阻；Ib為三極管基極電流；Vbe為基極-發(fā)射極正常電壓；I火為點火電流；r線為車內(nèi)/外電纜阻值平均值；R線為炮車上地面發(fā)控裝置到點火頭的電纜阻值；R火為點火頭阻值。

圖2 點火等效電路Fig.2 Equivalent ignition circuit

根據(jù)等效電路列出如下方程

由式（1）、式（2）消去Ib得到式（3）

式（3）反映了點火電流I火與電源、車內(nèi)/外線阻、點火具阻值、三極管放大倍數(shù)以及基極電阻之間的關(guān)系。電路中，電源電壓U 是28 V，基極電阻R取值510 Ω，三極管放大倍數(shù)β 取120，Vbe取0.7 V，點火頭阻值R火取6.6 Ω，炮車上地面發(fā)控裝置到點火頭的電纜阻值R線取0.6 Ω。

1.3 點火電流與各參數(shù)之間的關(guān)系

1.3.1 三極管放大倍數(shù)β 對點火電流I火的影響

將β 看作變量，對式（3）中I火求關(guān)于β 的導(dǎo)數(shù)，得到

式（4）表明了三極管放大倍數(shù)β 增量對應(yīng)的點火電流的增量，將R、U、r線、Vbe、R火、R線及β 代入式（4），得到0.006 A/ 放大倍數(shù)，即：三極管放大倍數(shù)β 在120 附近每增加單位1，點火電流增加0.006 A。

1.3.2 電源電壓U 對點火電流I火的影響

將U 看作變量，對式（3）中I火求關(guān)于U 的導(dǎo)數(shù)，得到

1.3.3 點火頭電纜阻值R線對點火電流I火的影響

將R線看作變量，對式（3）中I火求關(guān)于R線的導(dǎo)數(shù)，得到

1.3.4 基極電阻R 對點火電流I火的影響

將R 看作變量，對式（3）中I火求關(guān)于R 的導(dǎo)數(shù)，得到

1.3.5 車內(nèi)/外電纜阻值r線對點火電流I火的影響

將r線看作變量，對式（3）中I火求關(guān)于r線的導(dǎo)數(shù)，得到

實際點火電路中，三極管的放大倍數(shù)變化范圍較大，實測50 只不同批次三極管放大倍數(shù)β，β 值從118 到143 均勻分布，根據(jù)上述式（4）～式（8），進一步得到三極管β 從118 到143 變化時點火電流I火對β、U、R線、R 及r線的導(dǎo)數(shù)，如下頁表2 所示。

表2 各物理量對點火電流的影響Table 2 Influence of various physical quantities on ignition current

2 導(dǎo)致點火電流異常因素

從表2 得出，隨著三極管放大倍數(shù)β 的增大，電源電壓、三極管放大倍數(shù)、三極管基極電阻和線纜阻值的變化對點火電流有不同程度的影響，將三極管β 作為橫軸，上述各變量作為縱軸，得到下頁圖3。

圖3 不同電路參數(shù)對點火電流的影響Fig.3 Influence of different circuit parameters on ignition current

按照影響絕對值，不同電路參數(shù)對點火電流的影響從大到小排列r線（R線）＞U＞β＞R，即：基極電阻R 變化對點火電流的影響最小，其次是三極管放大倍數(shù)和電源電壓，影響點火電流最大的是車內(nèi)/外電纜阻值和點火頭電纜阻值。

車內(nèi)/ 外電纜阻值的差異（車內(nèi)0.2 Ω/ 車外1.6 Ω）導(dǎo)致車內(nèi)發(fā)射和車外發(fā)射的點火電流不一致，有時不能同時滿足指標(biāo)要求；在高低溫環(huán)境下，三極管放大倍數(shù)和電源電壓的波動也會成為影響點火電流的主要因素。

例如，當(dāng)β＝100 時，將已知條件代入式（3）可求出：

車內(nèi)點火電流

車外點火電流

當(dāng)β＝160 時，

車內(nèi)點火電流

車外點火電流

上例說明，在任何情況下，車外點火電流都比車內(nèi)點火電流小，如車外電纜連接器接觸不良，阻值偏大，很容易出現(xiàn)電流不能滿足要求的情況；在高低溫環(huán)境下，三極管受外界環(huán)境溫度影響，當(dāng)β較小時，可能會出現(xiàn)車內(nèi)點火電流合格，而車外點火電流不合格；當(dāng)β 較大時，可能會出現(xiàn)車內(nèi)點火電流不合格，而車外點火電流合格。

各電路參數(shù)對點火電流的不利影響及問題排查過程中的注意事項歸納如下：

1）三極管β

隨著三極管放大倍數(shù)的增大，三極管放大倍數(shù)波動對點火電流的影響有所減小，但其他變量對點火電流的影響變大，尤其是電纜阻值和點火線路阻值。因此，綜合考慮，在滿足車內(nèi)、車外點火電流的情況下，應(yīng)盡量選用β 小的三極管，提高點火電流的穩(wěn)定性。

2）車內(nèi)/外電纜

點火電流對車內(nèi)/外電纜阻值變化最為敏感，地面發(fā)控裝置、炮長操控臺以及車外發(fā)射裝置之間的電纜線徑、長度要嚴(yán)格按工藝執(zhí)行；其次，要保證電纜在車上連接可靠，防止車外發(fā)射裝置電纜連接部件有灰塵入侵或生銹，如發(fā)現(xiàn)灰塵或生銹要及時清理。

3）點火具

保證車上電纜連接可靠，安裝點火具時注意清理炮車上連接觸點。

4）電源電壓

電源電壓變化對點火電流的影響僅次于點火具和車內(nèi)/外電纜，點火過程中要確保電源電壓穩(wěn)定。

5）三極管基極電阻

基極電阻對點火電流的影響最小，1 Ω 的變化只改變約1 mA 的點火電流，不宜選用精度過高的電阻。

3 點火電路改進方案

從上述分析可知，點火電流異常根本原因是電路中沒有電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，輸出電流不具有恒流特性。從原理上講，當(dāng)一個控制采用開環(huán)模式時，控制單元與被控量在物理上只有順序關(guān)系，即：給定信號從控制單元出發(fā)，逐級向后傳輸，直到被控量輸出。開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟性較好，但是被控量的精度和穩(wěn)定性完全由控制回路上元器件決定，當(dāng)控制回路上任意一個器件參數(shù)改變時，被控量也會相應(yīng)偏離預(yù)先設(shè)定，控制效果較差。

閉環(huán)控制模式能夠有效抑制開環(huán)控制模式的缺陷，消除開環(huán)回路上的不確定性干擾，極大提高控制精度，使被控量在一定誤差范圍之內(nèi)跟蹤設(shè)定值，從而達到良好的控制效果。點火控制電路需要在原來電路上進行優(yōu)化，增加控制單元和電流反饋單元，由開環(huán)控制模式改為閉環(huán)控制模式，確保點火電流穩(wěn)定在2.0～2.5 A。

如圖4 所示，點火電路增加設(shè)定、控制和反饋單元，實現(xiàn)了點火電流的閉環(huán)控制［6］。圖中設(shè)定單元用于點火電流的設(shè)置，是整個點火控制電路的輸入給定；控制單元對給定和反饋的誤差進行運算；輸出單元執(zhí)行調(diào)節(jié)控制，輸出點火電流；反饋單元由點火回路上電流傳感器實現(xiàn)，將點火電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號反饋至比較單元［6-8］。

圖4 具有電流反饋單元的點火控制電路框圖Fig.4 Block diagram of ignition control circuit with negative feedback unit

4 點火電路設(shè)計

下頁圖5 所示為改進后的點火電路，電路由給定、控制、輸出和反饋4 個單元構(gòu)成。

圖5 改進的點火電路Fig.5 Improved ignition circuit

電阻R4、可調(diào)電位器R5 和穩(wěn)壓管V15 組成電流給定電路，調(diào)節(jié)R5 可調(diào)節(jié)base 點的電壓值，穩(wěn)壓管用于穩(wěn)定給定輸入；運放U3A 是點火電路的控制單元，將誤差電壓積分后控制三極管N2 的基極，使其工作于線性放大區(qū)。運放U3A 的3 腳是點火電流信號的反饋輸入端，R18 和C18 組成比例微分環(huán)節(jié)，校正反饋信號，抑制點火電流矩形波前沿的脈沖尖峰，電阻R13 和C19 是比例積分環(huán)節(jié)，用于穩(wěn)定點火電流的幅度，消除靜態(tài)誤差［9］。

U5 是一款基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器ACS712，是電流反饋單元的核心元件，串聯(lián)在點火電路上，ACS712 內(nèi)置有精確的低偏置線性霍爾傳感器，能輸出與檢測電流成比例的電壓，具有響應(yīng)時間快和絕緣電壓高等特點，點火電流從ACS712的1，2 腳輸入，3，4 腳輸出，7 腳產(chǎn)生與點火電流成比例的電壓信號，如圖6 所示，當(dāng)點火電流在2.0 A～2.5 A 變化時，7 腳的電壓值在3.5～3.75 V 范圍內(nèi)變化。

圖6 反饋電壓與電流關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between feedback voltage and current

5 點火電路應(yīng)用驗證

將直流電源、地面發(fā)控裝置、地面操控臺、車外發(fā)射裝置和彈上仿真儀等單體連接成最小點火系統(tǒng)，如圖7 所示，選取地面發(fā)控裝置任一管號作為裝定管號（圖中為8 號管），在相應(yīng)彈號的點火輸出端接一個可變功率電阻器，在地面操控臺上運行發(fā)射流程，點火時用示波器測量電阻兩端的點火脈沖波形，根據(jù)歐姆定律算出點火電流的值。

圖7 最小點火系統(tǒng)Fig.7 Minimum ignition system

將最小點火系統(tǒng)分別置于低溫-40℃和高溫50℃環(huán)境，重復(fù)上述試驗。

下頁表3 是可變功率電阻器從5～12 Ω 變化時的點火電流值，圖8 是點火頭12 Ω 時的點火脈沖波形。

表3 不同點火阻值對應(yīng)的點火電流Table 3 Ignition current corresponding to different ignition resistance values

圖8 點火電流波形圖Fig.8 Ignition current waveform

驗證表明，改進后電路能適應(yīng)不同外界環(huán)境，從根本上抑制了電源電壓、線纜阻值及其他外界因素對點火電流的影響，保證了點火電流的穩(wěn)定。

6 結(jié)論

本文針對某型地面發(fā)控點火電流異常情況，從電路上進行剖析，通過點火電流與電路中各參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，分析了影響點火電流的首要因素是線纜的阻值，其次是三極管的放大倍數(shù)和電源電壓。指出原點火電路設(shè)計缺陷，在原電路上增加了電流傳感器，增加電流負(fù)反饋，使點火電流閉環(huán)，消除外界參數(shù)對點火電流影響，較好地兼顧車內(nèi)和車外的點火電流要求，解決了高低溫環(huán)境下電流異常問題。驗證表明，點火電路在較大點火具阻值范圍內(nèi)仍能有穩(wěn)定的點火電流輸出，意味著電路的負(fù)載能力增加，抗干擾能力增強，有效提高了點火的可靠性［10］。