一个经典电磁阀驱动电路的改进

2012-07-12上海空间推进研究所钱祎凯张智敏

电子世界 2012年10期

上海空间推进研究所钱祎凯张智敏

1.引言

随着航天事业的日益发展，发动机的型号研制也呈现了多元化趋势，日常的试车任务数量也成倍的增加，所以如何提高试车成功率和质量成为了测控的工作重点与难点。在日常试车任务中发现，由于原先电磁阀功率驱动模块的功能受原先技术水平的限制，导致的试车不完全成功案例有所发生。因此结合实际使用环境，采用了一些目前较为先进的技术重新设计并制作了电磁阀功率放大模块，经过大量的测试和实际数据验证后表明，所设计的电路成品完全符合预先设定的目标，为以后每一次的成功试车打下了坚实的基础。

2.电磁阀驱动电路

2.1 控制通道的组成

控制通道主要有计算机，执行器，功率放大器，和负载组成。其中计算机的作用是试车指令程序的编写，下传，试车实时监控。执行器的作用是接收试车指令程序，根据程序输出信号。

执行器一般输出功率较小，需要增加一个驱动模块对输出信号进行放大，原先电磁阀驱动电路采用了两个三极管的经典线路，控制回路中串联一个电阻，其电压与线路电流成正比，将此信号接人测量仪器就可以采集控制回路的电流了。其控制部分的参考电路图如图1。

2.2 经典电磁阀驱动电路的特点

该经典电磁阀驱动电路具有很好的性能价格比，其价格较为低廉，经长期使用，其性能表现也较为可靠，并且其响应速度很快，又易于维修。

但该经典电磁阀驱动电路也有不足的地方，主要表现在以下几个方面：

(1)采样电阻的功率和阻值选取较困难。

(2)控制和电流采集之间无隔离，采集信号容易受到干扰。

(3)采样电阻串联回路内对整个测控系统来说，压降偏大，不适合远距离传输。

(4)T2三极管的过载能力较差。

3.电磁阀驱动电路的改进

3.1 功放电路中的电流采集改为霍尔电流传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A.H.Hall，1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

功放电路中的电流采集改为霍尔电流传感器，根据霍尔电流传感器的原理，采集电流时不存在串联的阻抗问题，所以这样采集到的电磁阀电流为真实的电磁阀工作电流，相比之前驱动电路，大幅提高了试验时数据的准确性和可靠性。

图1 功率放大器原理图(主要部分)

3.2 增加光耦隔离模块

为避免数模地之间的干扰，电路增加了光耦隔离模块。

光耦的作用是保护试验控制设备，如plc避免强电导致plc损坏。

在电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，甚至产生误动作，从而带来破坏性的后果。因此，若硬件上采用一些设计技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。隔离技术是破坏“地”干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件实现电→光→电的隔离，它能有效地破坏干扰信号的进入，可靠地实现信号的隔离，并容易构成各种功能状态。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

表1 两种电磁阀驱动模块的优缺点对比

光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信噪比大为提高，主要有以下几方面的原因：

(1)光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。

(2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；发光管和受光器之间的耦合电容很小(2pF以内)的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。

(3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。

(4)光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10μs左右，适于对响应速度要求很高的场合。

3.3 采用场效应管

为了提高电路带负载能力，将原先功放板上的晶体三极管由大功率场效应管代替。

场场效应管与晶体管比较有以下区别。

效应管控制工作电流的原理与普通晶体管完全不一样，要比普通晶体管简单得多，场效应管只是单纯地利用外加的输入信号以改变半导体的电阻，实际上是改变工作电流流通的通道大小，而晶体管是利用加在发射结上的信号电压以改变流经发射结的结电流，还包括少数载流子渡越基区后进入集电区等极为复杂的作用过程。场效应管的独特而简单的作用原理赋予了场效应管许多优良的性能。

场效应管功放优点：

(1)内阻低，高输入阻抗容易驱动，输入阻抗随频率的变化比较小；

(2)输入结电容小(反馈电容)，输出端负载的变化对输入端影响小；

(3)电源利用率高；

(4)驱动负载能力强；

(5)场效应管更好的热稳定性，抗辐射性和较低噪声；

(6)转换速率较高，高频特性好。

3.4 控制输出保护

在日常试车任务中曾发现由于电磁阀驱动电路的设计问题，导致了2次点火失败。经事后查明，原驱动电路采用了2级放大模式，试车期间，由于第1级功率放大模块的末端有异常输出信号，导致了2级功率放大模块的门电路得到信号而误开启电磁阀。而如今的设计完全避免了此类事件的再次发生，采用了直接1级功率放大模块，在门电路没有信号的情况下，不会产生令电磁阀误动作的输出信号，从而保证了试车的正常运行。