CN103499244B - 一种mosfet控制的火工装置起爆控制系统 - Google Patents

Abstract

一种MOSFET控制的火工装置起爆控制系统，包括火工品脉冲母线开关电路、起爆电流测量电路、程控单元以及N套并联的火工装置起爆控制电路。火工品脉冲母线开关电路通过脉冲指令实施对串联在火工品点火装置起爆通路正线、回线中的磁保持继电器开关的通断控制。火工装置起爆控制电路用于建立火工装置的起爆回路，并限制起爆回路电流，产生符合火工品起爆要求的可靠起爆电流，并起到保护起爆通路的作用。起爆电流测量电路采集火工装置起爆瞬态电流，将电流信号进行保持输出。程控单元实现星箭分离后对指定动作序列的火工装置的定时起爆控制脉冲输出，控制对应的火工装置起爆控制电路实施对特定火工装置的起爆。

Description

一种MOSFET控制的火工装置起爆控制系统

技术领域

本发明涉及一种火工装置起爆控制系统，适用于各种航天器火工装置起爆控制，以及类似应用的高可靠性、高安全性大电流驱动控制装置。

背景技术

航天器上广泛使用各种火工装置用于太阳翼、天线、星（船）体连接、推进管路等机构结构活动部件的锁紧及释放。现阶段，国内航天器一般设置独立的火工品起爆控制装置，用于实施航天器火工装置起爆控制。由于火工装置起爆控制的可靠性及安全性直接关系到航天器在轨飞行任务的成败，火工品起爆控制装置一般采用继电器形成3～4道串联开关形式完成起爆的开关控制。

随着航天器机构设计的发展，对活动部件使用的增长，对火工装置的需求也逐步增加，因此现有继电器形式的火工装置起爆控制系统设计将制约火工品起爆控制系统的小型化、集成化、模块化的发展方向。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，在满足航天器火工品起爆控制可靠性、安全性要求的前提下，提供一种新型的火工装置起爆控制系统，确保在任意火工装置起爆动作实施过程中有完备的三级串联控制保护功能，实现产品的小型化、模块化。

本发明的技术解决方案是：一种MOSFET控制的火工装置起爆控制系统，包括火工品脉冲母线开关电路、程控单元以及N套并联的火工装置起爆控制电路，N为正整数，其中：

火工品脉冲母线开关电路：包括四个三极管和磁保持继电器，磁保持继电器串联在火工品电源母线的功率输入正端及功率回线端，三极管V1和三极管V2并联，三极管V1和三极管V2的基极受地面的火工品电源母线接通遥控指令或者程控单元输出的程控脉冲控制，分别独立对磁保持继电器进行接通控制；三极管V3和三极管V4串联，三极管V3和三极管V4的基极受地面的火工品电源母线断开遥控指令控制，分别独立对磁保持继电器进行关断控制；

火工装置起爆控制电路：包括MOS管M1、三极管V5、电阻R11、电阻R12，火工品电源母线的功率输入正端同时接电阻R11的一端以及MOS管M1的源极端，电阻R11的另一端同时接电阻R12的一端以及MOS管M1的栅极端，电阻R12的另一端接三极管V5的集电极，三极管V5的发射极接地，三极管V5的基极受火工装置起爆控制指令控制，MOS管M1的漏极端接火工装置的桥丝端；

程控单元：包括时钟源、脉冲计数及时间分配器、脉冲宽度计数器、脉冲产生器；时钟源输出一定振荡频率的时钟信号，脉冲计数计时间分配器对时钟源输出的时钟信号按照预先设定的N套火工装置的起爆时间间隔进行分频，再通过由N路与非门进行时间分配形成时间序列后送至脉冲产生器，脉冲宽度计数器对时钟源输出的时钟信号进行分频得到N套火工装置各自所需的程控脉冲输出宽度对应的脉宽时间并送至脉冲产生器；脉冲产生器根据时间序列和N个脉宽时间，产生N个程控脉冲送至N套火工装置起爆控制电路，每个程控脉冲对应控制一套火工装置起爆控制电路。

MOSFET控制的火工装置起爆控制系统还包括起爆电流测量电路，所述的起爆电流测量电路包括霍尔电流传感器、采样保持电路、比较器、控制器和计时器；霍尔电流传感器实时采集火工片电源母线的电流信号并转换为采样电压，采样电压同时送至采样保持电路和比较器，比较器将采样电压与与设定的参考电平相比较，当起爆电流信号大于参考电平时输出一个正脉冲信号至控制器，控制器控制采样保持电路将采样电压向外部输出，同时控制器控制计时器对所述的正脉冲信号进行脉冲计数，当脉冲计数达到设定值时，控制器控制采样保持电路停止向外部输出采样电压。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明系统对火工装置的起爆驱动控制通过火工品脉冲母线正端和火工品脉冲母线负端两道串联的预令开关，以及最终实施火工装置起爆控制的功率MOSFET点火开关组成完备的三级串联控制保护功能，提高了火工装置的起爆控制的安全性；

（2）本发明中火工装置起爆控制功能电路采用功率MOSFET替代电磁继电器实施对火工装置的起爆控制，元器件体积更加微型化，利于电路小型化、轻量化设计，避免了电磁继电器开关接通瞬间，通路中大电流导致继电器触点粘连故障；按照火工装置起爆电流，合理选用大功率MOSFET和限流电阻阻值，可以满足航天器对元器件使用的降额标准；

（3）本发明系统中起爆电流测量功能电路使用霍尔器件在火工品脉冲母线正端采集火工装置起爆瞬态电流信号并进行信号保持，可以直接判断火工装置起爆状态；

（4）基于本发明系统，可以对每个双路热备份点火装置A、B的起爆控制的起爆控制均通过两套独立的热备份起爆控制功能电路实现，提高了火工装置的起爆控制的可靠性。

附图说明

图1为本发明MOSFET控制的火工装置起爆控制系统对多路火工品进行控制的原理图；

图2为本发明MOSFET控制的火工装置起爆控制系统（单套）原理图；

图3为本发明火工品脉冲母线开关电路原理图；

图4为本发明火工装置起爆控制电路原理图；

图5为本发明起爆电流测量电路原理图；

图6为本发明程控单元原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的MOSFET控制的火工装置起爆控制系统由两套相同的独立的热备份起爆控制功能电路组成，分别完成对航天器用火工装置设置的双路热备份点火装置的起爆控制。每路火工装置起爆控制采用独立的热备份火工装置电源母线，作为火工装置的起爆点火电源；对某一路/组火工装置实施起爆之前，由遥控指令或程控指令控制火工品脉冲母线开关电路接通串联于火工装置电源母线正、负端的开关；由遥控指令或程控指令同时控制需要实施起爆的火工装置A、B桥丝相对应的两套热备份火工装置起爆控制电路（1～X），完成起爆；由起爆电流测量电路中两套完全相同的电路分别采集主份及备份火工品脉冲母线起爆电流并转成遥测参数输出，用于准确判断火工装置是否成功起爆。

如图2所示，为单套起爆控制功能电路的原理框图，包括火工品脉冲母线开关电路、火工装置起爆控制电路、起爆电流测量电路、程控单元。火工品脉冲母线开关电路通过脉冲指令实施对串联在火工品点火装置起爆通路正线、回线中的磁保持继电器开关的通断控制；火工装置起爆控制电路用于建立火工装置的起爆回路，并限制起爆回路电流，产生符合火工品起爆要求的可靠起爆电流，并起到保护起爆通路的作用；起爆电流测量电路采集火工装置起爆瞬态电流，将电流信号进行保持输出；程控单元实现星箭分离后对指定动作序列的火工装置的定时起爆控制脉冲输出，控制对应的火工装置起爆控制电路实施对特定火工装置的起爆。

1、火工品脉冲母线开关电路

串联在火工品电源母线的功率输入正端及功率回线端的火工品脉冲母线开关电路完全相同，均如图3所示，控制开关K1为磁保持继电器。火工品电源母线开关接通功能驱动电路为两套电路并联组成，确保火工品母线加电功能正常，通过遥控信号或者程控电路发出的程控信号（两个信号通过二极管D5、二极管D6相或）完成对继电器K1线包的接通驱动控制。火工品脉冲母线开关断开功能驱动电路为两套电路串联组成，确保任意电路出现短路失效均不会导致火工品母线异常断开，两套电路输入端通过二极管D7、二极管D8相隔离，通过遥控信号完成对继电器K1线包的断开驱动控制。

通过调整三极管V1、三极管V2、三极管V3、三极管V4基极的电阻R3～R10的阻值，可以将驱动电路的动作门限电压设置在安全阈值范围内（例如7V～12V），确保继电器的可靠动作，且避免因信号输入端的干扰脉冲导致继电器开关的误动作。

为防止继电器线包短路故障，在继电器线包电源输入端串联限流保护电阻R1、电阻R2，继电器的两个线包均并接两个串联的二极管D1～D4作为续流保护电路。

2、火工装置起爆控制电路

如图4所示，火工装置起爆控制功能电路可以同时实施1只或多只火工装置同时起爆控制，使用P沟道功率场效应管M1对某组火工装置起爆回路中的电源母线正端进行控制。电源母线正端通过两个电阻R11、R12分压后接到MOS管M1的栅极，在M1栅源极间接入一个12～14V的稳压二极管Z1，保证分压后的栅源电压满足使用要求又不会超过额定电压以致损坏器件。在M1栅源极间并联电容C1，缩短脉冲母线加电瞬间MOS管导通时间。M1栅极控制由三极管V5完成，通过调整电阻R13、R14阻值，可以将驱动电路的动作门限电压设置在安全阈值范围内（例如6V～12V）。当遥控信号或者程控电路发出的程控信号（两个信号通过二极管D9、D10相或，正常情况下信号幅度9～12V）输出电压大于安全阈值（>6V）后，使三极管导通，从而控制MOS管M1导通。遥控指令结束后，发火电路中的元器件均结束工作，发火通路没有电流，即发火电路工作时间为遥控指令宽度（80～120ms）。

MOS管M1的漏极通过火工品限流电阻R15与某路火工装置点火器桥丝端相连接，根据每只火工装置对应的起爆回路电阻，通过调节回路中R15阻值，保证起爆回路中的电流满足火工装置可靠起爆（5A～10A）的要求。每一只火工装置桥丝正端及负端均通过静电泻放电阻R17（50kΩ～100kΩ）接到壳地，防止静电的积累。在每一个三极管基极设计了对地串联的电容C2，防止遥控指令接口出现毫秒级窄脉冲干扰使起爆控制电路误动作。

3、起爆电流测量电路

如图5所示，起爆电流测量电路用于测量火工装置起爆瞬态电流，其工作过程是，由霍尔电流传感器对起爆电流信号进行采样并输出电压，进入采样保持电路实现信号保持；同时起爆电流信号送入比较器与设定的逻辑参考电平相比较，当起爆电流信号大于逻辑参考电平，则输出一个正脉冲信号，通过控制器开启采样保持电路，起爆电流遥测信号保持输出，并控制计时器开始计时；计时满64秒后计时器停止计时，并发送信号使控制器产生清零信号，同时将采样保持电路输出的起爆电流遥测信号清零，并将计数器清零。

4、程控单元

如图6所示，程控单元主要由时钟源、脉冲计数及时间分配器、脉冲宽度计数器、脉冲产生器、控制器组成。当程控单元接收到星箭分离信号后，时钟源电路开始工作，通过由RC网络和与非门电路组成的振荡器输出特定振荡频率的时钟信号。脉冲计器电路通过二进制串行计数器对时钟源输出的时钟信号进行分频，得到各程控信号输出所需的时间控制信号；时间控制信号通过由译码器及多路输入与非门组成的时间分配器，得到设定时序的各个不同时间的输出信号，并保证了在规定的时刻在规定的输出线上输出控制脉冲，其它输出线上不能有输出的要求，使程控线路有强的抗干扰能力。脉冲宽度计数器采用二进制串行计数器对时钟源输出的时钟信号分频得到程控脉冲输出宽度所需的时间；脉冲产生器接收时间分配器发送的不同时间的输出信号，按照设定的时间间隔及顺序输出程控脉冲信号，程控脉冲信号宽度由脉冲宽度计数器输出控制。控制器用于终止程控电路输出，当收到终止程控命令时，通过与门终断计数器的时钟信号输出，从而终止程控电路的工作。

如图1所示，完成火工装置X起爆控制的步骤为：

（1）星箭已分离；

（2）程控单元接收到星箭分离信号，开始按照设定的时序发送脉冲信号；

（3）由火工品脉冲母线开关电路接收程控单元发送的脉冲信号，控制接通火工品脉冲母线正线、回线开关并确认开关正确性；或由火工品电源母线开关电路接收星务管理系统或测控系统发送的指令信号，控制接通火工品脉冲母线正线、回线开关并确认开关正确性；

（4）由火工装置起爆控制电路接收程控单元发送的脉冲信号，控制起爆对应的第X组火工装置起爆控制指令同时起爆第X组内所有火工装置，通过测量火工装置起爆电流判断起爆控制是否正常；或由火工装置起爆控制电路接收星务管理系统或测控系统发送的指令信号，控制起爆对应的第y组火工装置起爆控制指令同时起爆第y组内所有火工装置，通过测量火工装置起爆电流判断起爆控制是否正常。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种MOSFET控制的火工装置起爆控制系统，其特征在于：包括火工品脉冲母线开关电路、程控单元以及N套并联的火工装置起爆控制电路，N为正整数，其中：

火工品脉冲母线开关电路：包括四个三极管和磁保持继电器，磁保持继电器串联在火工品电源母线的功率输入正端或者功率回线端，三极管V1和三极管V2并联，三极管V1和三极管V2的基极受地面的火工品电源母线接通遥控指令或者程控单元输出的程控脉冲控制，分别独立对磁保持继电器进行接通控制；三极管V3和三极管V4串联，三极管V3和三极管V4的基极受地面的火工品电源母线断开遥控指令控制，对磁保持继电器进行关断控制；

火工装置起爆控制电路：包括MOS管M1、三极管V5、电阻R11、电阻R12，火工品电源母线的功率输入正端同时接电阻R11的一端以及MOS管M1的源极端，电阻R11的另一端同时接电阻R12的一端以及MOS管M1的栅极端，电阻R12的另一端接三极管V5的集电极，三极管V5的发射极接地，三极管V5的基极受火工装置起爆控制指令控制，MOS管M1的漏极端接火工装置的桥丝端；

程控单元：包括时钟源、脉冲计数及时间分配器、脉冲宽度计数器、脉冲产生器；时钟源输出一定振荡频率的时钟信号，脉冲计数及时间分配器对时钟源输出的时钟信号按照预先设定的N套火工装置的起爆时间间隔进行分频，再通过由N路与非门进行时间分配形成时间序列后送至脉冲产生器，脉冲宽度计数器对时钟源输出的时钟信号进行分频得到N套火工装置各自所需的程控脉冲输出宽度对应的脉宽时间并送至脉冲产生器；脉冲产生器根据时间序列和N个脉宽时间，产生N个程控脉冲送至N套火工装置起爆控制电路，每个程控脉冲对应控制一套火工装置起爆控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种MOSFET控制的火工装置起爆控制系统，其特征在于：还包括起爆电流测量电路，所述的起爆电流测量电路包括霍尔电流传感器、采样保持电路、比较器、控制器和计时器；霍尔电流传感器实时采集火工品电源母线的电流信号并转换为采样电压，采样电压同时送至采样保持电路和比较器，比较器将采样电压与与设定的参考电平相比较，当起爆电流信号大于参考电平时输出一个正脉冲信号至控制器，控制器控制采样保持电路将采样电压向外部输出，同时控制器控制计时器对所述的正脉冲信号进行脉冲计数，当脉冲计数达到设定值时，控制器控制采样保持电路停止向外部输出采样电压。