電磁閥驅動控制技術在姿軌控系統中的應用研究

【關鍵詞】電磁閥驅動控制技術；姿軌控系統；模糊PID算法

引言

隨著航天器姿軌控系統對高精度、快速響應的需求升級，電磁閥驅動控制技術成為發動機推力調節的核心環節，其性能直接決定姿軌控的動態效率。當前電磁鐵方案雖響應快，但輸出力與行程受限；音圈電機、空心杯電機等精密伺服元件雖精度高，卻面臨負載下的響應瓶頸。多路信號同步、高壓環境穩定性及HDLC/RS485協議實時性等問題制約系統性能，亟需通過優化元件選型、融合自適應PID算法、強化工業級芯片冗余設計，突破極端工況下的技術壁壘，為高可靠航天發動機控制提供關鍵支撐[1]。

一、電磁閥驅動控制技術原理

（一）姿軌控發動機驅動控制系統架構

姿軌控發動機驅動控制系統采用分層模塊化架構，由控制核心、執行單元及安全模塊構成。姿軌控發動機控制流程如圖1所示。

控制核心基于自適應PID與模糊控制融合算法，實時解算導航指令并生成脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制信號，通過脈寬調制實現0.5%FS級推力精度。執行層采用多通道H橋驅動電路，支持姿控發動機集群的1 ms級同步控制，各通道集成電流閉環反饋及隔離保護電路[2]。

（二）關鍵驅動執行元件工作原理

電磁鐵作為軌控閥的核心執行元件，其力輸出基于磁路理論，其計算如公式（1）所示：

F=B2S2μ0 （1）

其中，F為電磁力，B為磁感應強度，S為氣隙截面積，μ0為真空磁導率。

通過調節線圈匝數與勵磁電流，可優化電磁力與響應時間（小于等于10 ms）。然而電磁鐵受限于磁飽和效應與機械行程，輸出力與動態范圍有限。音圈電機基于洛倫茲力原理直接輸出直線運動，具備高頻響應、高加速度特性，適用于短行程精密伺服場景[3]?？招谋姍C通過無鐵芯設計降低轉動慣量，機械時間常數小于10 ms，結合行星減速器可將轉速轉換為軸向力，定位精度達±0.05 mm。其扭矩M的計算如公式（2）所示：

M+Jβ=mr22·ΔωΔt （2）

其中，J為轉動慣量，β為角加速度，m為質量，r為線速度。兩類電機均需配合光柵編碼器實現位置反饋，形成閉環控制，確保姿控閥動作的重復精度與可靠性。

（三）壓力信號采集與閉環控制邏輯

系統通過1路燃氣壓力傳感器實時監測燃氣發生器狀態，信號處理流程包括：數據采集階段每2 ms進行一次壓力采樣，將采集到的數據經14位高精度模數轉換器（AnalogtoDigital Converter，ADC）轉換為數字信號；隨后采用滑動平均濾波消除噪聲干擾，并將處理后的數據存儲至現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）緩存；壓力判斷環節中，當64次采樣均值大于等于9 MPa時觸發建壓指令并將其發送至執行機構，若均值低于閾值則暫停指令傳輸；閉環反饋機制將壓力數據與閥門狀態實時回傳至控制器，通過模糊自適應PID算法動態調節驅動信號，確保發動機推力上升至穩態90%的時間小于等于15 ms。

二、姿軌控系統驅動控制技術現狀

（一）現有驅動控制技術分析

在現有驅動控制技術中，電磁鐵憑借其結構簡單、響應速度快的特點，廣泛應用于軌控閥的開關控制，但其輸出力受限于磁路設計和機械行程，難以滿足大推力場景需求。相比之下電機驅動方案通過閉環控制實現高精度位移調節，結合行星減速器可將扭矩提升至0.504 N·m，輸出軸向力達100 N，但負載條件下的響應時間仍是技術瓶頸?？刂撇呗陨?，多數系統采用FPGA+數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）架構實現多路信號解算與實時通信[4]。

（二）典型系統研制現狀

科創公司開發的變軌控發動機驅動系統具有代表性，其以FPGA為核心，集成AD公司的14位ADC芯片和TI公司的ISO1176隔離器件，實現了燃氣壓力信號采集、濾波及建壓指令的實時生成。執行機構方面，姿控系統采用瑞士Maxon公司的ECmax22空心杯電機與GP22HD減速器組合；軌控系統則采用電磁鐵杠桿機構，通過冗余設計提升可靠性[5]。

（三）技術指標達成情況

現有系統已基本滿足部分關鍵要求：通信速率與協議兼容性通過阻抗匹配和電氣隔離實現穩定傳輸；電磁鐵使用壽命和電機外形包絡已通過驗證。然而負載條件下驅動執行機構的響應時間仍是短板，需通過優化電流環控制縮短調整時間。此外極端環境適應性依賴工業級芯片的冗余配置，但在高壓沖擊下的元器件穩定性仍需強化[6]。

三、電磁閥驅動控制技術存在的問題

（一）快速響應與負載能力的矛盾

電磁鐵憑借磁路設計可實現8 ms～10 ms的快速響應，但其驅動力受限于磁飽和效應與機械行程，最大輸出力僅20 N，難以滿足大推力場景需求；而音圈電機、空心杯電機雖通過行星減速器將軸向力提升至100 N，但在負載條件下響應時間延長至15.18 ms，遠超目標值。現有方案通過輕量化設計部分緩解問題，但高負載下的動態性能仍依賴電流環與速度環的協同優化，而傳統控制策略難以在毫秒級時間內完成多參數實時調節，導致系統在極端工況下響應延遲顯著[7]。

（二）系統集成與可靠性挑戰

姿軌控系統需同步控制6路姿控閥與4對軌控閥，但FPGA+DSP架構下多路PWM信號時序同步精度受限于時鐘抖動，易引發閥門動作不同步，影響推力矢量精度。同時高壓燃氣環境對元器件可靠性提出嚴苛要求，此外通信協議需在2 ms內完成64次壓力均值計算與指令傳輸，但誤碼檢查機制增加了數據處理延遲，造成建壓指令滯后，影響發動機啟動時序[8]。

（三）控制策略與算法缺陷

傳統PID控制策略在非線性負載與多擾動場景下適應性不足，成為制約系統性能的關鍵缺陷。此外實時誤碼檢查雖通過HDLC協議保障指令可靠性，但其軟件實現占用FPGA邏輯資源，可能延長指令解算周期，尤其在多路并發控制時，DSP的運算帶寬不足將加劇延遲。另一方面壓力信號采集依賴滑動平均濾波，雖能抑制噪聲，卻導致建壓指令觸發滯后約128 ms（2 ms×64），難以滿足毫秒級響應需求。現有方案嘗試通過硬件加速濾波縮短處理時間，但算法復雜度與硬件成本間的平衡仍需進一步優化。

四、驅動控制技術優化與解決對策

（一）執行元件選型與結構優化

姿控系統推薦采用瑞士Maxon ECmax22空心杯電機與行星減速器GP22HD的組合，通過無鐵芯設計降低轉動慣量，機械時間常數壓縮至10 ms以內，結合旋轉變直線機構將軸向輸出力提升至100 N，同時優化減速器齒輪材料（如滲碳鋼）以降低摩擦損耗，總質量控制在192 g以內。軌控系統電磁鐵選用HX41改進型號，通過增加線圈匝數與優化磁路截面積，在3 mm行程內將驅動力從20 N提升至30 N，并采用杠桿機構放大輸出，滿足大推力需求。結構設計上，電機與閥體連接采用4×M4螺栓，確保安裝剛度；電磁鐵則通過冗余線圈布局提升容錯能力，避免單點失效。

（二）控制算法升級

傳統PID控制策略升級為模糊自適應PID與迭代學習算法的融合模式。針對姿控閥非線性負載特性，模糊邏輯實時調整PID參數，通過DSP實現每1 ms一次的動態優化，降低超調量。

迭代學習算法利用歷史運動軌跡數據預測負載變化，預補償控制信號，縮短調節時間。誤碼檢查機制通過FPGA硬件加速循環冗余校驗，將指令處理延遲從軟件實現的1.2 ms壓縮至0.3 ms，同時引入冗余指令隊列，在檢測到“11”或“00”異常時自動替換為上一周期有效指令，確?？刂七B續性。

（三）硬件系統可靠性提升

控制器采用Altera工業級FPGA與TI TMS320F2812 DSP的雙核架構，通過冗余電源與看門狗電路防止程序跑飛；通信接口選用TI ISO1176隔離芯片與AirBorn軍工級接插件，總線差分端加120 Ω匹配電阻與1 kΩ上拉電阻，確保RS485信號在-30℃～65℃下的完整性。電機驅動單元采用ST汽車級H橋芯片，支持峰值電流4 A，配合OP27運放與ADC7836（14位）構建高精度電流環，實時監測電機溫升（小于65℃）并動態限流，防止過熱失效。壓力傳感器電路增加電磁干擾濾波與瞬態電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）二級管，抑制燃氣發生器高壓脈沖干擾。

（四）通信協議與傳輸優化

通信協議通過硬件加速與拓撲優化提升實時性。HDLC協議中循環冗余校驗由FPGA并行計算模塊實現，校驗周期從32 μs縮短至8 μs；同步時鐘采用抖動抑制技術，將上升沿采樣偏差控制在±5 ns內，確保多路PWM信號時序同步精度達0.1 ms。總線物理層采用雙絞屏蔽線纜，末端匹配120 Ω電阻，并增加共模扼流圈抑制高頻噪聲，使8 Mbps傳輸速率下的誤碼率降至10-9以下。數據幀格式優化為“指令類型+冗余校驗+時間戳”，支持指令優先級插隊機制，確保建壓指令，64次均值大于等于9 MPa時優先傳輸，延遲不超過2 ms。此外壓力信號濾波算法改為FPGA硬件實現的滑動窗均值計算，將64次平均處理時間從128 ms壓縮至10 ms，顯著提升閉環響應速度。

結語

電磁閥驅動控制技術是姿軌控發動機高精度推力調節的核心，其性能直接影響航天器動態響應能力。本研究系統梳理了電磁鐵與電機的驅動機理，揭示了現有系統在快速響應與負載能力間的矛盾，以及多路信號同步、高壓環境穩定性等技術瓶頸。通過優化執行元件選型、融合模糊自適應PID算法、強化工業級芯片冗余設計及HDLC協議硬件加速，顯著提升了系統響應速度、通信可靠性及極端工況適應性。未來可探索壓電陶瓷驅動與智能算法的深度集成，結合輕量化機電設計，推動姿軌控系統向更高頻響應、更長壽命方向演進，為深空探測與可重復運載器提供技術支撐。

參考文獻：

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