某型地面发控点火电流异常分析和电路改进

王建国，赵 怡，毕 玉，王 俊，郭会兵

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.山西工程科技职业大学，山西 晋中 030606）

0 引言

地面发控输出恒定幅度和宽度的电流脉冲，以确保发动机能可靠点火。点火电流脉冲幅度和宽度决定了点火头桥丝上的焦耳热［1］，过小的焦耳热无法引燃桥丝周围的药粉，而过大的焦耳热会在瞬间烧断桥丝，同样不能引燃药粉，这两种情况均会导致点火头激活失败［2］。鉴于点火电流在发射过程中的重要性，地面发控点火电路在设计上是一个功能相对独立的电路，并尽可能简单可靠［3-5］，然而在使用过程中，点火电流幅度在某些情况下并不能满足要求。

本文对某型地面发控系统点火电路进行了深入探讨，通过测量点火线路线缆的阻值（包括线缆上连接器的接触电阻）得到便于问题排查和分析的实际点火电路，再经等效电路求出点火电流与电路中每个元器件参数之间的数学关系，进而分析出点火电流异常的原因。最后提出一种增加电流反馈环节的电路改进方案，以达到稳定点火电流，提高点火可靠性的目的。

1 地面发控系统点火电路

1.1 电路组成

图1 所示为目前地面发控点火电路，由+28 V直流电源U、地面发控装置面板开关K1、炮长操控台切换开关K2、炮长操控台保险锁K3、车外发射装置保险锁K4、三极管T、基极电阻R 以及火箭弹点火头组成。为了简化分析，地面发控装置、炮长操控台和车外发射装置内的其他电路均省略，只画出与点火线路相关的部分。点火线路核心是一个NPN 型的大功率三极管T。

图1 地面发控点火电路Fig.1 Ground firing control circuit

1.2 电路原理分析

点火电路总体上是一个串联型控制电路，车内、车外保险控制开关又构成一个并联电路。+28 V电源经过地面发控装置开关K1进入炮长操控台切换开关K2，如果进行车内发射，则开关K2打到in 位置，电源经车内保险锁K3加到弹控板三极管T 集电极；如果进行车外发射，则开关K2打到out 位置，电源从地面发控装置3XS18 接口绕经车外发射装置保险锁K4加到三极管T 集电极。

电阻R 为三极管基极电阻，电源通过R 产生基极电流，控制三极管T 工作在放大区，输出点火电流到点火头电阻。

由于单体之间的线缆较长，点火电流会在这些线缆上产生压降，影响点火电流，经实测，从地面发控装置到炮长操控台车内线阻为0.2 Ω，从地面发控装置到车外发射装置线阻为1.6 Ω，从地面发控装置到火箭弹点火头阻值为0.6 Ω，如表1 所示。

表1 各单体之间的线缆长度和阻值Table 1 Cable length and resistance value between each device

考虑上述线缆阻值，将图1 地面发控点火电路等效如下页图2，图中各物理变量：U 为地面发控供电电压；R 为三极管基极电阻；Ib为三极管基极电流；Vbe为基极-发射极正常电压；I火为点火电流；r线为车内/外电缆阻值平均值；R线为炮车上地面发控装置到点火头的电缆阻值；R火为点火头阻值。

图2 点火等效电路Fig.2 Equivalent ignition circuit

根据等效电路列出如下方程

由式（1）、式（2）消去Ib得到式（3）

式（3）反映了点火电流I火与电源、车内/外线阻、点火具阻值、三极管放大倍数以及基极电阻之间的关系。电路中，电源电压U 是28 V，基极电阻R取值510 Ω，三极管放大倍数β 取120，Vbe取0.7 V，点火头阻值R火取6.6 Ω，炮车上地面发控装置到点火头的电缆阻值R线取0.6 Ω。

1.3 点火电流与各参数之间的关系

1.3.1 三极管放大倍数β 对点火电流I火的影响

将β 看作变量，对式（3）中I火求关于β 的导数，得到

式（4）表明了三极管放大倍数β 增量对应的点火电流的增量，将R、U、r线、Vbe、R火、R线及β 代入式（4），得到0.006 A/ 放大倍数，即：三极管放大倍数β 在120 附近每增加单位1，点火电流增加0.006 A。

1.3.2 电源电压U 对点火电流I火的影响

将U 看作变量，对式（3）中I火求关于U 的导数，得到

1.3.3 点火头电缆阻值R线对点火电流I火的影响

将R线看作变量，对式（3）中I火求关于R线的导数，得到

1.3.4 基极电阻R 对点火电流I火的影响

将R 看作变量，对式（3）中I火求关于R 的导数，得到

1.3.5 车内/外电缆阻值r线对点火电流I火的影响

将r线看作变量，对式（3）中I火求关于r线的导数，得到

实际点火电路中，三极管的放大倍数变化范围较大，实测50 只不同批次三极管放大倍数β，β 值从118 到143 均匀分布，根据上述式（4）～式（8），进一步得到三极管β 从118 到143 变化时点火电流I火对β、U、R线、R 及r线的导数，如下页表2 所示。

表2 各物理量对点火电流的影响Table 2 Influence of various physical quantities on ignition current

2 导致点火电流异常因素

从表2 得出，随着三极管放大倍数β 的增大，电源电压、三极管放大倍数、三极管基极电阻和线缆阻值的变化对点火电流有不同程度的影响，将三极管β 作为横轴，上述各变量作为纵轴，得到下页图3。

图3 不同电路参数对点火电流的影响Fig.3 Influence of different circuit parameters on ignition current

按照影响绝对值，不同电路参数对点火电流的影响从大到小排列r线（R线）＞U＞β＞R，即：基极电阻R 变化对点火电流的影响最小，其次是三极管放大倍数和电源电压，影响点火电流最大的是车内/外电缆阻值和点火头电缆阻值。

车内/ 外电缆阻值的差异（车内0.2 Ω/ 车外1.6 Ω）导致车内发射和车外发射的点火电流不一致，有时不能同时满足指标要求；在高低温环境下，三极管放大倍数和电源电压的波动也会成为影响点火电流的主要因素。

例如，当β＝100 时，将已知条件代入式（3）可求出：

车内点火电流

车外点火电流

当β＝160 时，

车内点火电流

车外点火电流

上例说明，在任何情况下，车外点火电流都比车内点火电流小，如车外电缆连接器接触不良，阻值偏大，很容易出现电流不能满足要求的情况；在高低温环境下，三极管受外界环境温度影响，当β较小时，可能会出现车内点火电流合格，而车外点火电流不合格；当β 较大时，可能会出现车内点火电流不合格，而车外点火电流合格。

各电路参数对点火电流的不利影响及问题排查过程中的注意事项归纳如下：

1）三极管β

随着三极管放大倍数的增大，三极管放大倍数波动对点火电流的影响有所减小，但其他变量对点火电流的影响变大，尤其是电缆阻值和点火线路阻值。因此，综合考虑，在满足车内、车外点火电流的情况下，应尽量选用β 小的三极管，提高点火电流的稳定性。

2）车内/外电缆

点火电流对车内/外电缆阻值变化最为敏感，地面发控装置、炮长操控台以及车外发射装置之间的电缆线径、长度要严格按工艺执行；其次，要保证电缆在车上连接可靠，防止车外发射装置电缆连接部件有灰尘入侵或生锈，如发现灰尘或生锈要及时清理。

3）点火具

保证车上电缆连接可靠，安装点火具时注意清理炮车上连接触点。

4）电源电压

电源电压变化对点火电流的影响仅次于点火具和车内/外电缆，点火过程中要确保电源电压稳定。

5）三极管基极电阻

基极电阻对点火电流的影响最小，1 Ω 的变化只改变约1 mA 的点火电流，不宜选用精度过高的电阻。

3 点火电路改进方案

从上述分析可知，点火电流异常根本原因是电路中没有电流负反馈环节，输出电流不具有恒流特性。从原理上讲，当一个控制采用开环模式时，控制单元与被控量在物理上只有顺序关系，即：给定信号从控制单元出发，逐级向后传输，直到被控量输出。开环控制结构简单，经济性较好，但是被控量的精度和稳定性完全由控制回路上元器件决定，当控制回路上任意一个器件参数改变时，被控量也会相应偏离预先设定，控制效果较差。

闭环控制模式能够有效抑制开环控制模式的缺陷，消除开环回路上的不确定性干扰，极大提高控制精度，使被控量在一定误差范围之内跟踪设定值，从而达到良好的控制效果。点火控制电路需要在原来电路上进行优化，增加控制单元和电流反馈单元，由开环控制模式改为闭环控制模式，确保点火电流稳定在2.0～2.5 A。

如图4 所示，点火电路增加设定、控制和反馈单元，实现了点火电流的闭环控制［6］。图中设定单元用于点火电流的设置，是整个点火控制电路的输入给定；控制单元对给定和反馈的误差进行运算；输出单元执行调节控制，输出点火电流；反馈单元由点火回路上电流传感器实现，将点火电流信号转换成电压信号反馈至比较单元［6-8］。

图4 具有电流反馈单元的点火控制电路框图Fig.4 Block diagram of ignition control circuit with negative feedback unit

4 点火电路设计

下页图5 所示为改进后的点火电路，电路由给定、控制、输出和反馈4 个单元构成。

图5 改进的点火电路Fig.5 Improved ignition circuit

电阻R4、可调电位器R5 和稳压管V15 组成电流给定电路，调节R5 可调节base 点的电压值，稳压管用于稳定给定输入；运放U3A 是点火电路的控制单元，将误差电压积分后控制三极管N2 的基极，使其工作于线性放大区。运放U3A 的3 脚是点火电流信号的反馈输入端，R18 和C18 组成比例微分环节，校正反馈信号，抑制点火电流矩形波前沿的脉冲尖峰，电阻R13 和C19 是比例积分环节，用于稳定点火电流的幅度，消除静态误差［9］。

U5 是一款基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712，是电流反馈单元的核心元件，串联在点火电路上，ACS712 内置有精确的低偏置线性霍尔传感器，能输出与检测电流成比例的电压，具有响应时间快和绝缘电压高等特点，点火电流从ACS712的1，2 脚输入，3，4 脚输出，7 脚产生与点火电流成比例的电压信号，如图6 所示，当点火电流在2.0 A～2.5 A 变化时，7 脚的电压值在3.5～3.75 V 范围内变化。

图6 反馈电压与电流关系曲线Fig.6 Relation curve between feedback voltage and current

5 点火电路应用验证

将直流电源、地面发控装置、地面操控台、车外发射装置和弹上仿真仪等单体连接成最小点火系统，如图7 所示，选取地面发控装置任一管号作为装定管号（图中为8 号管），在相应弹号的点火输出端接一个可变功率电阻器，在地面操控台上运行发射流程，点火时用示波器测量电阻两端的点火脉冲波形，根据欧姆定律算出点火电流的值。

图7 最小点火系统Fig.7 Minimum ignition system

将最小点火系统分别置于低温-40℃和高温50℃环境，重复上述试验。

下页表3 是可变功率电阻器从5～12 Ω 变化时的点火电流值，图8 是点火头12 Ω 时的点火脉冲波形。

表3 不同点火阻值对应的点火电流Table 3 Ignition current corresponding to different ignition resistance values

图8 点火电流波形图Fig.8 Ignition current waveform

验证表明，改进后电路能适应不同外界环境，从根本上抑制了电源电压、线缆阻值及其他外界因素对点火电流的影响，保证了点火电流的稳定。

6 结论

本文针对某型地面发控点火电流异常情况，从电路上进行剖析，通过点火电流与电路中各参数的数学关系，分析了影响点火电流的首要因素是线缆的阻值，其次是三极管的放大倍数和电源电压。指出原点火电路设计缺陷，在原电路上增加了电流传感器，增加电流负反馈，使点火电流闭环，消除外界参数对点火电流影响，较好地兼顾车内和车外的点火电流要求，解决了高低温环境下电流异常问题。验证表明，点火电路在较大点火具阻值范围内仍能有稳定的点火电流输出，意味着电路的负载能力增加，抗干扰能力增强，有效提高了点火的可靠性［10］。