液体姿轨控发动机一般由推力室和控制阀组成,作为调整飞行器轨道或姿态的动力装置。控制阀一般采用直动式电磁阀,结构简单、功能可靠、性能稳定,而控制阀的响应速度直接决定了发动机的启动加速性和关机减速性^[1],影响飞行器的机动性、灵活性和精确性,因此控制阀的快响应特性^[2-4]已成为航天动力装置的主要技术攻关方向之一。

为了使电磁阀达到快响应目标,除了本身结构设计上采取措施外,还需要一个合理有效的驱动控制回路。在汽车领域,随着高速喷油电磁阀的发展,各种驱动控制电路应运而生,采用高电压开启、低电压维持的电路应用居多^[5]; 在航天领域,国外多型动力系统采用驱动电路实现电磁阀快响应技术^[6-8],国内西安航天动力研究所宋会玲^[9]等采用具有集成加速开启、时序控制和加速关闭功能的芯片控制双绕组高速电磁阀实现高电压开启、低电压维持,响应时间达到3 ms左右。以上驱动控制电路都需要单独研制复杂的驱动器,研制周期比较长,对于近阶段地面研究性使用场景,有必要寻求一种简单、便捷的快响应电磁阀驱动控制电路。

本文以某直动式电磁阀为研究对象,充分利用电容的充放电功能和电阻的分压功能,采用电阻和电容元器件组成的简易控制电路,实现电磁阀高电压开启、低电压维持的快响应工作模式。

电磁阀的线圈^[10]是一个带铁芯的线圈,具有一定的电感,因而当线圈加上电压后,线圈中的电流按近似指数规律上升,上升的速度快慢一般用线圈的电时间常数T=L₀/R表征(L₀为线圈电感; R为线圈电阻)。为提高响应速度,对电磁线圈结构自身,一方面是提高吸合储备裕度,减小吸合触动时间及阀芯运动时间,另一方面是减少线圈匝数,降低电感,提高电流上升速度。因此,对于直动式电磁阀自身采取高储备吸合裕度(2.2倍)和低电阻(8 Ω)、低电感(0.08 H)线圈设计的快响应技术措施,结构简图如图1所示。

驱动控制电路由串联在线圈上的电阻、电容并联组和在电源输入端并联的二极管组成,如图1所示。电源供电启动时,电容尚未充电,电容两端电压为零,相当于将电阻短路,线圈两端电压约等于电源电压(28 V),电磁阀在高电压开启,有利于加快打开速度; 一段时间后,电容充电完成,电容两端电压达到分配电压,相当于将电阻接入电路分压,使线圈工作在低电压状态; 另外,断电后,释放小回路形成的瞬态感应电流又与电容的释放电能形成的反向电流抵消,消耗了一定能量,更有利于加速线圈电流的释放效果。

图1 电磁阀及简易驱动电路原理图
Fig.1 Schematic diagram of solenoid valve and simple drive circuit

根据图1所示电磁阀及简易驱动电路原理图,采用如图7所示的产品进行了验证试验^[16],电子元器件采用工业级电阻、电容。在入口压力8 MPa,电压28 V,流量50 g/s条件下驱动并测试电磁阀打开、关闭电流曲线,结果如图8所示。试验结果表明,采用串接电阻和电容并联组的方式驱动电磁阀,线圈两端具有“高电压开启、低电压维持”的特点,打开3.8 ms,关闭2.0 ms,达到了快响应技术目标。同时,与图3仿真结果对比表明,两者特征和趋势一致,理论计算与试验结果吻合度较好。

图7 电磁阀及电子元器件试验件
Fig.7 Solenoid valve and electron element

图8 电磁阀及驱动电路验证电流曲线
Fig.8 Verification test coil current of solenoid valve and drive circuit

1)电阻值主要影响维持电流和关闭响应时间。电阻值越大,分压能力越强,线圈维持电流越低,线圈释放、阀芯关闭就越快,而对启动电流影响很小。但电阻值的选取应保证低电压维持阶段阀芯处于可靠开启状态。

2)电容值主要影响启动时电流上升率和峰值。电容值越大,电容充电能力越强,充电时间越长,启动时的电流上升快、峰值也就越大,打开响应时间短; 另外,电容值越大,电容充电量越大,对关闭时的反向电动势消除越快,关闭也就越快。

3)串接20 Ω电阻和100 μF电容并联组时电磁阀打不开,而串接20 Ω电阻和600 μF电容并联组时电磁阀可靠打开,说明电容值过小时,充电能量较弱、充电时间较短,失去了对电阻的短路作用,电阻过早串入回路分压,导致电磁线圈吸合能力不够。

故电阻和电容参数应根据系统要求和电磁阀自身设计参数合理选择。

表1 不同参数对电流和响应的影响
Tab.1 Influence of variant parameter on current and response

设计的电磁阀及其简易驱动电路(线圈串接电阻和电容并联组),结构简易,操作简便。驱动电路采用的电阻和电容均为工业级电子元器件,花费成本低,技术成果验证效果好,经验证可以转化并推广至普通电磁阀中。

以电磁阀高电压开启、低电压维持的快响应工作模式为需求,充分利用电容的充放电功能和电阻的分压功能,设计了“电磁阀线圈串接电阻和电容并联组”的驱动线路,通过仿真和试验验证了该技术途径可以达到高电压开启、低电压维持的效果,实现了设计电磁阀的快响应目标。根据参数对比试验数据,启动电流峰值和上升率应通过选择电容参数来控制,维持电流应通过选择分压电阻参数来调整。

设计验证技术可以转化并推广至快响应电磁阀设计中,采用启动线圈和维持线圈串联绕制并在维持线圈上并联电容的方式,实现电磁阀高电压开启、低电压维持的功能。