运载火箭控制系统电磁继电器消反峰电路分析与MULTISIM仿真

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

运载火箭控制系统电磁继电器消反峰电路分析与MULTISIM仿真

余力凡1,马红梅2

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

运载火箭控制系统中大量使用了电磁继电器，继电器线圈断电时会产生反峰电压，形成很强的电磁干扰；这种干扰一方面很容易击穿驱动继电器工作的晶体管，造成系统功能的损坏，另一方面可能影响运载火箭精密仪器的正常工作；为了消除这种反峰电压，控制系统中经常采用两种消反峰电路；对两种电磁继电器消反峰电路设计进行了理论分析与计算，比较了“二极管+电阻”电路与“电阻+二极管+稳压二极管”电路的消反峰效果，并使用MULTISIM进行了仿真，发现“电阻+二极管+稳压二极管”电路消反峰效果更好，对于要求快速泄放反峰电流的电路应采用“电阻+二极管+稳压二极管”的消反峰电路。

运载火箭；电磁继电器；反峰电压；MULTISIM

0 引言

电磁继电器在控制电路中有独特的电气、物理特性，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻，使得其它任何电子元器件无法与其相比，加上继电器标准化程度高、通用性好、可简化电路等优点，所以继电器广泛应用在航天、航空、军用电子装备、信息产业及国民经济的各种电子设备中。继电器腔体内主要由线圈、衔铁和两组或多组簧片等组合成[1]。图 1为电磁继电器的结构原理图。当线圈通电后，线圈的激磁电流产生磁场，衔铁在空气隙处受到电磁吸力的作用。当电磁吸力大于弹簧的拉力时，衔铁动作，吸向铁芯，从而带动与之相连的动簧片产生动作，使原先并使原先断开的触点(称常开触点或动合触点)闭合。当线圈断电后，衔铁在弹簧的拉力作用下又回到其起始位置，相应地，触点也回到起始状态。

由图1可知继电器的线圈是一个电感，绕组中又有衔铁，因此在绕组通电后要贮存磁能，在继电器绕组断电的瞬间，磁能释放会产生很高的反向电动势PIV(Peak Inverse Voltage)，这个瞬间反向电动势形成的脉冲尖峰可能干扰其它电路的正常工作。

运载火箭控制系统中无论是箭上飞行控制系统还是地面测试发射控制系统均大量地使用了电磁继电器。继电器从接通状态到断开状态会产生反峰电压，这种电压如不加以消除会干扰电路的正常工作[2]。线圈断开瞬间的反峰电压比正常电压高几十倍，一方面很容易击穿驱动继电器工作的晶体管，造成系统功能的损坏，另一方产生很强的电磁干扰，可能影响控制系统的精密仪器的正常工作。因此，在控制系统的设计规范中要求电磁继电器在使用中必须采取消反峰措施。

1 两种消反峰电路介绍

为了解决继电器线圈断电瞬间产生的反向电动势，一般的做法是在继电器绕组两端反向并联一个二极管，如图2所示。当线圈断电时，贮存在线圈中的能量通过二极管与线圈组成的回路进行泄放，如图3所示。

图2 二极管消反峰电路图3 二极管消反峰电路泄放回路

此种消反峰电路最简单但是在控制系统的实际设计电路中会增加一个电阻与二极管串联后再与继电器线圈并联，主要目的是为了防止二极管反向击穿导致继电器线包被短路，导致继电器控制功能失效。如图4所示。

1.1 “二极管+电阻”消反峰电路分析

由图4可知，当开关k闭合后，继电器线圈加电，当k断开时继电器线圈、电阻R、二极管V构成了反峰电压泄放回路。设继电器线圈电阻为r，电感为L，消反峰电阻为R，线圈产生的反峰电压为U1。线圈断开瞬间等效电路如图5所示。

图4 “二极管+电阻”消反峰电路图5 “二极管+电阻”消反峰等效电路图

C-K方程为：

注：此处忽略了二极管的压降。

求解此微分方程:

(1)

由图5可知，继电器断开时产生的反峰电压U1表达式为:

(2)

反峰电压UI曲线如图6所示。

图6 “电阻+二极管”反峰电压波形

由放电常数τ的表达式可知，消反峰电阻R的阻值越大，τ越小，反峰电压的下降速度越快，但是，从公式(2)可以看出，在继电器线包断开瞬间的最高反峰电压会随着R的增大而提高，R阻值对反峰电压的影响如图7所示。

图7 消反峰电阻与反峰电压的关系

从电路设计角度，当然希望反峰电压能迅速下降，但是其代价是反峰电压会提高，这又是控制系统电路设计中不希望的结果。因此，如何选择消反峰电阻R的阻值是一个权衡利弊的过程。在实际工程中，对反峰电压的幅值更为关注，一般要控制在10 V以内，对其下降速度反而没有过多的要求，那么根据公式(2)就基本可以确定R电阻的阻值了。

1.2 “电阻+二极管+稳压二极管”消反峰电路分析

在某些特定的情况下，要求在不增加反峰电压的情况下要加快反峰电压的泄放速度，如何解决这个矛盾呢？在这种情况下可以使用“电阻+二极管+稳压二极管”的消反峰电路，如图8所示。

稳压二极管也称作齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿。当反向电流小于某一值时，稳压二极管进入反向截止状态[3]。当开关k断开时图8所示电路中的反峰电流如图9所示。

图9中V1为稳压二极管反向击穿电压，线圈断电瞬间，C-K方程为：

求解此微分方程:

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

图8 “电阻+二极管+稳压二极管”消反峰电路图9 “电阻+二极管+稳压二极管”消反峰电路

(3)

反峰电压U2表达式为：

整理得到：

(4)

2 两种消反峰电路的比较分析

MULTISIM是NI(美国国家仪器有限公司)推出的以WINDOWS为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路的设计、仿真工作。它包含了电原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

在对两种电磁继电器消反峰电路进行了原理分析后，对消反峰电路效果使用MULTISIM进行仿真。

以控制系统中常用的电磁继电器消反峰电路为例，可设r=820 Ω，R=60 Ω，U1=28 V，L=10 H，V1=15 V，对两种消反峰电路的反峰电压进行仿真。

首先对“电阻+二极管”消反峰电路情况进行仿真，搭建电路如图10所示，用示波器观察反峰电压的变化情况，仿真结果如图11所示。从图11可以看出，反峰电压从2.047 V下降到0 V用了43.9 ms。

图10 “电阻+二极管”消反峰仿真电路

图11 “电阻+二极管”消反峰仿真结果

在图10基础上增加稳压二极管，对消反峰效果进行仿真，搭建电路如图12所示，用示波器观察反峰电压的变化情况，仿真结果如图13所示。从图13中可以看出反峰电压从2.047 V下降到0 V只用了12.151 ms。

图12 “电阻+二极管+稳压二极管”消反峰仿真电路

图13 “电阻+二极管+稳压二极管”消反峰仿真结果

从两种消反峰电路的分析及仿真效果来看，增加了稳压二极管后的反峰电压下降很快，但反峰电压的最大值并没有提高，既满足了快速泄放的要求，又没有提高反峰电压，可应用于对泄放时间有要求的电路。

3 结束语

通过对两种电磁继电器消反峰电路的分析与仿真，可知对于反峰电流泄放时间要求不高电路，采用“二极管+电阻”的消反峰电路即可，而对于要求快速泄放反峰电流的电路应采用“二极管+电阻+稳压二极管”的消反峰电路。

[1] 孙 静，胡会能，王 全，等．航天用电磁继电器的常见失效模式及机理分析[J]．宇航材料工艺，2000(S)；247-249.

[2] 华兴潮.消除电感性器件反峰电路初探[J].聊城师院学报(自然科学版)，1998,11(1):47-49.

[3] 康华光，电子技术基础(模拟部分)[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，浙江绍兴人，高级工程师，主要从事电子通信及电气系统集成设计方向的研究。

1671-4598(2017)11-0055-03

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

TP3

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