控制开关周期的高压电容电压无反馈维持方法

苏　锋，康兴国，郑　松

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)



控制开关周期的高压电容电压无反馈维持方法

苏锋，康兴国，郑松

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

摘要:针对引信电子安全系统在充电升压过程中反馈回路失效有可能造成过充的问题，提出了电子安全系统控制动态开关周期的高压电容电压无反馈维持方法。该方法需要在高压维持开始时刻，通过反馈电路采集得到不同环境下漏电流参数，由此算出高压电容电压维持的动态开关控制周期，然后断开反馈电路，在无反馈条件下维持电压稳定。试验验证结果表明，该方法的使用能够排除高压反馈失效的影响，高压充电时通过动态开关合适的开关周期将高压电容上的电压维持在允许范围内，且电路工作可靠。

关键词:引信；电子安全系统； 高压电容； 脉冲变压器

0引言

采用直列式爆炸序列的引信电子安全系统,由接口电路、控制器、两个静态开关和一个动态开关、高压转换电路等组成[1]。引信电子安全系统解除保险过程中高压转换电路对电路中的高压电容进行充电，并在充电达到目标值后维持不变。高压电容电压维持通常采用高压反馈控制的方法实现。但是，电子安全系统高压转换电路中利用高频变压器进行脉冲升压,由于高频变压器使用使得电路中极易产生脉冲电磁干扰[2]对高压反馈回路造成影响，可能导致高压反馈回路失效而造成高压电容过充。在充电电路的输入端和输出端不隔离的情况下，输出端的这一高电压将对电路的安全性和可靠性产生很大影响[3]。

为了防止高压反馈回路失效对引信作用可靠性造成影响，一般都是采用从变压器原边采样的反馈控制电路方案[3]或者采用抗电磁干扰加固方法[4]。上述两种方法电路简单易于实现，但缺点在于两种方法均为基于电压反馈的控制方法，存在反馈回路，高压充电维持过程中需要将采样信号作为判据，一旦高压采样出现故障，仍可能出现高压电容过充，甚至出现高压开关过压击穿造成引信早炸。本文针对此问题，提出电子安全系统控制动态开关周期的高压电容电压无反馈维持方法。

1反馈控制电路工作原理

1.1基于变压器原边采样的反馈控制电路工作原理

从高压电容端分压采样的反馈控制电路直接从电容端进行电压采样，难以实现输出端和输入端的电气隔离。何光林等人在文献[3]中提出了从变压器原边采样的反馈控制方法，该方法原理框图如图1所示。该方法实现了反馈回路与电容高压端的隔离，但是升压变压器在电路工作中存在漏感，动态开关工作时同样对反馈回路产生电磁干扰，可能导致反馈失效。

图1　变压器原边采样的反馈控制原理框图Fig.1　functional block diagram of feedback control principle of sampling from transformer original side

1.2基于高压电容端分压采样的反馈控制电路工作原理

引信电子安全系统高压电容电压维持电路由控制器、动态开关、脉冲变压器、高压电容器、高压反馈单元组成。在高压电容电压维持阶段，控制器通过对高压电信号进行采样，控制动态开关工作，实现高压电容电压维持。高压维持电路原理框图如图2所示。

图2　高压维持电路原理框图Fig.2　Functional block diagram of high-voltagemaintenance circuit

安全系统高压变换过程中，控制器输出一定频率的控制信号，控制升压开关的开关闭合，驱动脉冲变压器工作，使其完成电能-磁能-电能之间的能量转换，将低压转换成高压，通过高压硅堆给电容充电。从高压端采样的反馈电路通过分压电阻将高压电容的电压值通过A/D转换反馈到控制端，输出端的电压仅仅通过电阻分压反馈到输入端。这种反馈控制设计的电路中，由于直接从高压电容分压得到反馈信号,难以实现输入和输出端的隔离。所以为防止反馈回路受到干扰，一般采用增加瞬态电压抑制器[5]、对变压器进行屏蔽、对可控硅进行滤波[4]等抗电磁干扰加固方法来防止反馈回路失效。

2高压反馈失效模式下电压维持控制方法

2.1高压电容电压维持控制方法

根据前面分析,在高压维持电路的整个闭环回路中，一旦采样反馈电路单元失效，控制器就无法对高压电容电压值进行有效的控制。高压电容上的电压既可能因为动态开关的开关周期过长而逐渐下降，不满足起爆要求；也可能因为动态开关的开关周期过短而逐渐上升，造成过充。为了防止高压反馈回路失效造成高压电容电压不可控，实现高压电容的无反馈电压维持，需要找到动态开关的最佳开关周期，实现单位时间内高压电容的损耗量和充电量的动态平衡。

只需要得到高压电容的漏电放电时间常数τ，就能够计算出无反馈模式下高压电容进行高压维持的动态开关控制周期，从而实现高压电容电压值的动态补偿。但是相同规格的高压电容个体之间存在差异，而且该参数受温度环境影响较大。要得到高压电容的漏电放电时间常数，只能在电路工作过程中实时测量。

高压电容电压维持无反馈控制原理框图如图3所示。图3中开关K的闭合和断开表示反馈回路通断，该开关受控制器控制，初始状态为闭合。工作过程为：控制器在高压电容进行电压维持的开始时刻，利用反馈回路采集高压电容在不同环境下的漏电流参数，计算出放电常数，进而计算出高压电容电压维持的动态开关控制周期T1，控制器控制动态开关按此周期工作，然后断开开关K，实现高压电容电压维持的无反馈控制。

图3　高压电容电压维持无反馈控制原理框图Fig.3　Non-feedback control functional block diagram of high-voltage capacitor maintenance

2.2动态开关的开关周期计算

高压电容的充放电等效电路图如图4所示，图中U1为低压电源，Q为动态开关，V为控制脉冲信号，R1、R2分别为变压器T原边、次边等效电阻，L1、L2为变压器T原边、次边等效电感，D为高压硅堆，U2为高压电容C两端电压，R3为高压电容等效漏电阻，i1、i2、ic分别表示图中电流。脉冲变压器工作过程中根据工作形式不同分为电能磁能转化、磁能电能转化两阶段。由于电能转化磁能阶段对于升压效率影响较小，下面仅对磁能转换成电能进行分析。在这过程中为方便分析将脉冲变压器等效为理想变压器，耦合系数为1。

图4　高压电容的充放电等效电路图Fig.4　Equivalent circuit of the chargingand discharging process from high-voltage capacitor

设在t0时刻动态开关闭合，t1时刻电能完全转化为磁场能，t2时刻磁场能量完全转化成电能，此时次级线圈电流I2=0。(t1,t2)时间段内在变压器互感作用下，变压器次级线圈产生电流，为高压电容器充电，高压电容器两端电压为U2，同样为了方便分析假设此时变压器原边电流I1=0。根据理想变压器特性, 在t1时刻可得电流I1为:

I1(t1)=L1U1t1

(1)

由充电过程可得：

(2)

由于在实际电路中为缩短充电时间通常充电电阻很小，为方便计算将设R2=0。则可得：

U2(t)=t1ω1U1sinω2(t-t1)+

U2(t1)cosω2(t-t1)

(3)

由以上公式可以得出在一个脉冲周期内高压电容的充电时间Δt=(t2-t1)与初始电压U2(t1)的关系。当充电周期Δt一定时，可以得到在一个周期内高压电容电压的提高值。

根据公式(3)可进一步得到：

I2(t)=Cω2[T2ω1U1cosω2(t-t1)-

U2(t1)sinω2(t-t1)]

(4)

其中，T2=(t1-t0)为充电脉冲宽度。

设t2时刻由于磁场能量完全转化成电能此时次级线圈电流I2=0，可进一步得到一个充电周期内磁场能转化成电能所需要时间：

(5)

对高压电容充电达到目标电压值后，由于高压电容两极间存在漏电流，导致电容放电。高压电容电压维持阶段高压电容漏电等效回路如图4中虚线框所示。设R3为电容两极间等效电阻，根据基尔霍夫定律有：

-R3ic+Uc(t)=0

(6)

由公式(6)可得一阶微分方程：

(7)

设U21为高压电容充电目标值，则可得高压电容放电过程实时电压值：

(8)

其中τ=R3C。这样根据公式(8)就可以算出高压电容停止充电的情况下单位时间Δt1与电容电压的变化量ΔU2的关系:

(9)

从而得到无反馈模式下高压电容进行高压维持的动态开关控制周期T1：

(10)

3试验验证

该控制方法的实现，需要在高压电容高压维持开始时刻停止充电，根据公式(9)在高压电容产生ΔU2的电压变化量内，通过A/D采集单元采集两组数据即可计算出τ。在高压电容充电达到目标值U21后，控制器可以根据A/D转换模块采集到的信息计算出高压电容电压维持阶段U21下降100 V所需要的时间Δt1，然后再根据公式和分别计算出Δt2和Δt3，计算出各参数后，再根据公式(10)计算出高压维持充电脉冲周期。控制器不需要反馈就可以输出周期为T1的充电脉冲来维持高压电容的电压值。在本文试验验证中，这些值的计算均由控制器通过A/D回路采集相关参数并完成计算。

该方法的实现过程中，A/D采集的精度直接关系到计算参数的精度，从而影响到高压电容电压维持效果。在高压电容的电压维持阶段一般允许真实电压值与目标电压值存在±100 V的误差。其中A/D输入范围为0～2.5 V，假设高压电容器电压变化范围为0～2 000 V，这就要求采样电路衰减系数为1：800,即每1 V对应输出0.00 125 V，采用10位采样A/D，基准为2.56 V，则精度为0.0 025 V，因此控制器对于高压电容器最高分辨率为2 V，这样完全能够保证电压采集的精度。

从理论上来说控制器计算精度越高，高压电容在无反馈控制条件下进行电压动态补偿效果越好，同时对控制器的性能要求、控制软件的复杂度均会提高，使得验证试验的复杂度提高。由于试验验证仅为了验证高压反馈失效模式下电压维持控制方法的可行性，因此为了方便验证试验，验证过程中通过程序设计，以脉冲变压器为理想变压器，互感系数为1，漏感为0，线圈匝数比n=200，初级线圈串联等效阻抗0.1 Ω,次级线圈等效串联阻抗50 Ω,高压电容器电容C=0.22 μF，设初始脉冲电源峰值电压为20 V，输入功率20 W，充电目标电压值为1 600 V的情况为例，在升压阶段使电压充至1 700 V后停止充电使高压电容电压回落至1 600 V，A/D模块采集整个回落过程所需要的时间。采集完数据后，为了方便对比，系统通过A/D反馈工作3.5 s后进入无反馈控制模式。通过示波器观测控制脉冲信号和高压电容电压值，观测结果如图5、图6、图7所示。

图5　高压变换工作过程Fig.5　Working process of high voltageconvertion

图6　高压维持数据采集过程Fig.6　Data collecting process of high voltage maintenance

图7　高压电容无反馈维持过程Fig.7　Non-feedback maintaining process of high-voltage capacitor

根据实验结果，由图5可以得出，在高压电容高压维持进入无反馈模式时，高压电容电压能够很好地维持在1 550～1 630 V之间。由图6实测出高压电容电压从1 700 V下降到1 600 V所用的计算时间Δt1=152 ms，再根据第2节的公式计算可得出理论高压电容进行高压维持脉冲开关的控制周期T2=2.85 ms，该计算结果与图7中实测的控制脉冲周期T=2.77 ms相近。实验结果表明，试验结果与理论分析吻合。

4结论

本文提出了引信电子安全系统高压反馈失效模式下基于控制动态开关周期的高压电容电压无反馈维持方法。该方法在高压电容电压维持开始时刻控制器通过A/D反馈回路测量出高压电容在不同环境下的漏电流参数，根据测得的参数计算出高压电容放电时间常数后，进一步得出控制动态开关的控制脉冲周期，然后断开反馈电路，在无反馈条件下维持高压电容电压的动态平衡。实验表明，在允许的偏差范围内，高压电容电压值在反馈回路停止工作的情况下能得到很好地维持在1 600±50 V的范围内。该方法能实现长时间的无反馈控制，很大程度地提高了电路的安全性和可靠性。该方法的使用将会在电路硬件条件不变有情况下有效地提高了高压电容在电压维持阶段的可靠性。

参考文献:

[1]何光林，陈科山，李世义. 基于CPLD的电子安全系统接口电路设计[J]. 探测与控制学报，2003,25(2):36-38.

[2]郑松，史占付，康兴国.引信全电子安全系统电磁兼容性改善方法[J].探测与控制学报，2009,31(4):35-38.

[3]何光林，黄科伟.引信电子安全系统高压反馈电路研究[J].北京理工大学学报,2009,29(1):47-49.

[4]韩克华，任西，秦国圣，等.引信电子安全起暴系统抗电磁干扰加固方法[J]. 探测与控制学报，2010,32(5):83-88.

[5]施长军，周涛，郑松，等．直列式安全起爆系统电磁兼容性改善及安全性分析[J]. 火工品，2014(3):23-26.

*收稿日期:2016-01-21

作者简介:苏峰(1986—),男，广西北海人，硕士研究生，研究方向：引信电子安全系统。E-mail:sufeng718@126.com。

中图分类号:TJ43

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)03-0013-04

High-Voltage Capacitor Non-response Maintain Based on Period Switch Control

SU Feng, KANG Xingguo, ZHENG Song

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Xi’an 710065, China)

Abstract:Over charge occured in electronic safety and arming system(ESA)，which attributed to the feedback loop failure in the process of charging?boost?voltage had been paid long attention in this field. In response to this issue，the period of dynamic?switch controlled by ESA lead to non-response maintained voltage in high-voltage capacitor was proposed. At the beginning of the high-voltage maintaining time，leak current data collected by reactive circuit at different environment could calculate dynamic?switch controlled period maintained by voltage of high-voltage capacitor，then disconnected the reactive circuit，the voltage could maintain stable under the condition of no feedback. The experiment showed that the measure could eliminate the affect of high-voltage feedback failure，the voltage of high-voltage capacitor could be maintained within an allowable range by the appropriate switch cycle of dynamic?switch at the high voltage charging time.

Key words:fuze; ESA; high-voltage capacitor; pulse transformer