CN103644786B - 高压点火继电器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压点火继电器，主要由点火电源开关电路、安全解锁及点火控制电路、升压电路、高压储能电路、以及高压脉冲电流开关电路组成。点火电源开关电路、升压电路、高压储能电路和高压脉冲电流开关电路依次连接。安全解锁及点火控制电路的输入端连接外部输入的点火电源输入信号，安全解锁及点火控制电路的控制端与上级控制器相连，安全解锁及点火控制电路的电源开关驱动输出端连接点火电源开关电路的控制端，安全解锁及点火控制电路的点火开关驱动输出端连接高压脉冲电流开关电路的控制端。本发明能够提高点火装置的安全性、降低点火系统的敏感度，具有工作可靠性高、体积小和重量轻等特点。

Description

高压点火继电器及其运行方法

技术领域

本发明涉及继电器技术领域，具体涉及一种高压点火继电器及其运行方法。

背景技术

点火装置作为关系到武器系统安全与可靠的关键部件，直接影响到整个武器系统的生存能力和战斗力的发挥。在各种恶劣环境条件下，一方面要求在战斗状态下确保向发火元件（火工品）提供额定的电流脉冲（一般工作电压为直流27V），另一方面要求在安全（非战斗）状态下，防止发火元件在射频、静电等作用下发生误点火。目前，传统的武器系统火工品点火电路采用低压（直流27V）小电流（10A）点火，由于传统火工品点火电路选用机电隔离式安全装置隔离钝感型发火元件，因此在应对未来更恶劣的电磁环境和力学环境均存在不安全因素。而现有的高压点火系统和方案，又主要针对的是油料，可燃气体、固体和粉末进行燃烧点火控制，不符合武器系统高压火工品爆炸点火要求，并且没有可靠的保险机构，不符合武器系统整机安全要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高压点火继电器及其运行方法，其能够提高点火装置的安全性、降低点火系统的敏感度，具有工作可靠性高、体积小和重量轻等特点。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高压点火继电器，主要由点火电源开关电路、安全解锁及点火控制电路、升压电路、高压储能电路、以及高压脉冲电流开关电路组成；点火电源开关电路的输入端与外部输入的点火电源输入信号相连；点火电源开关电路的输出端与升压电路的输入端相连；升压电路的输出端连接高压储能电路的输入端；高压储能电路的输出端连接高压脉冲电流开关电路的输入端；安全解锁及点火控制电路的输入端连接外部输入的点火电源输入信号，安全解锁及点火控制电路的控制端与上级控制器相连，安全解锁及点火控制电路的电源开关驱动输出端连接点火电源开关电路的控制端，安全解锁及点火控制电路的点火开关驱动输出端连接高压脉冲电流开关电路的控制端；高压脉冲电流开关电路的输出端向外部输出高压点火脉冲输出信号。

上述方案中，安全解锁及点火控制电路包括电源模块、隔离收发器、微控制器、电源开关隔离驱动电路、以及点火开关隔离驱动电路；电源模块的输入端与外部输入的点火电源输入信号相连；电源模块的2个输出端分别连接隔离收发器和微控制器的电源输入端；隔离收发器的一端连接上级控制器，一端连接微控制器；微控制器的2个信号输出端分别连接电源开关隔离驱动电路和点火开关隔离驱动电路的输入端；电源开关隔离驱动电路的输出端连接点火电源开关电路的控制端，点火开关隔离驱动电路的输出端连接高压脉冲电流开关电路的控制端。

上述方案中，隔离收发器为RS485隔离收发器或RS422隔离收发器。

上述方案中，升压电路包括原边供电电路，PWM控制器，开关晶体管Q1，变压器T1，二极管VD1，电容C1、C2，以及电阻R1、R2；电容C1并联在点火电源开关电路的输出端的正负极上；原边供电电路的电源输入端连接点火电源开关电路输出端的正极，原边供电电路的电源输出端连接变压器T1的初级的一端；原边供电电路的信号输出端经PWM控制器连接开关晶体管Q1的栅极，开关晶体管Q1的漏极连接变压器T1的初级的另一端，开关晶体管Q1的源极连接点火电源开关电路的输出端负极；变压器T1的次级的一端连接二极管VD1的正极，二极管VD1的负极连接高压储能电路的输入端正极，变压器T1的次级的另一端连接高压储能电路的输入端负极；电阻R1和电阻R2相互串联，且串联后的两端分别接在高压储能电路的输入端的正极和负极上，电阻R1和电阻R2的相连端连接原边供电电路的信号输入端；电容C2并联在高压储能电路的输入端的正负极上。

上述方案中，点火电源开关电路和安全解锁及点火控制电路形成继电器的控制电路部分；升压电路、高压储能电路和高压脉冲电流开关电路形成继电器的高压电路部分；上述控制电路部分和高压电路部分单独装成2个独立的壳体中，之后再呈并联连接形成分体结构的高压点火继电器；或上述控制电路部分和高压电路部分共同组装在同一个壳体中，形成单独体结构的高压点火继电器。

上述高压点火继电器的运行方法，包括如下步骤：

低压点火电源通过电源线引入点火电源开关电路，点火电源开关电路受安全解锁及点火控制电路的控制，用来接通或断开升压电路的电源输入，使继电器进入预备或锁定状态；

升压电路完成低压点火电压的升压工作，转换成高压点火所需的高压直流电提供给高压储能电路使用；

高压储能电路完成对高压点火所需点火能量的高压储存，以备点火所需；

高压脉冲电流开关电路完成点火能量的控制和释放；

安全解锁及点火控制电路接收上级控制器的点火命令，进行密码验证，控制完成点火操作。

上述方法中，安全解锁及点火控制电路的微控制器内存储了本机地址和本机密码，上级控制器通过地址字节寻找不同的高压点火装置，通过发送密码来激活它；安全解锁及点火控制电路的微控制器通过将接收到的地址字节和密码字节同本机的地址和密码进行比对，如相符则应答并解锁，转入预备状态，通过电源开关隔离驱动电路控制点火电源开关电路导通，向升压电路输出直流电压，使高压储能电路储备电能；当高压储能电路达到预定电压时，电能储备完毕，向上级控制器发出“准备就绪”信号；这时，安全解锁及点火控制电路再接受上级控制器给出的发火指令后，通过点火开关隔离驱动电路控制高压脉冲电流开关电路导通，使其向高压火工品提供发火所需的电能，完成点火操作；或者接收后续指令进行加锁。

上述方法中，安全解锁及点火控制电路通过RS485通讯接口或RS422通讯接口来接收上级控制器的点火命令。

上述方法中，开关晶体管Q1在PWM控制器的控制下导通或截止；开关晶体管Q1导通时，变压器T1的初级开始储存能量；开关晶体管Q1截止时，能量传递到变压器T1的次级；变压器T1的次级电压经RC电路整流滤波后输出直流电压，调节开关晶体管Q1的导通和截止时间，并改变输出电压值。

本发明采用提高点火系统电压和点火电流的方式对新一代高压发火元件进行安全点火控制，并包含可靠的电子保险电路，以提高点火装置的安全性，降低点火系统的敏感度，提升在恶劣环境条件下的抗干扰能力，具有工作可靠性高、体积小重量轻等特点，可实现各型武器系统的新型高压安全点火控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提出了一种固体高压点火继电器的设计实施方案，实现了武器系统发火元件的高压点火、安全解锁和整体小型化设计，把高压点火带入实际工程应用阶段。由于同时采用了高压陡脉冲进行点火、采用基于微控制器技术和串行通信技术进行点火控制、以及采用地址验证和密码验证的方式进行安全解锁，因而能适应各种恶劣的环境条件，具有极高的安全性和可靠性。高压点火继电器采用灵活的系统组合方式和多种通信方式，具有良好的多种武器系统匹配适应性能。小型化的固体高压点火继电器能够极大地提高武器系统点火的可靠性和安全性。

附图说明

图1为高压点火继电器总体框图；

图2为采用RS485通信接口的固体高压点火继电器电路原理框图；

图3为采用RS422通信接口的固体高压点火继电器电路原理框图；

图4为升压电路（高压DC/DC模块）原理框图。

具体实施方式

一种高压点火继电器，如图1所示，主要由点火电源开关电路、安全解锁及点火控制电路、升压电路、高压储能电路、以及高压脉冲电流开关电路组成。点火电源开关电路的输入端与外部输入的点火电源输入信号相连。点火电源开关电路的输出端与升压电路的输入端相连。升压电路的输出端连接高压储能电路的输入端。高压储能电路的输出端连接高压脉冲电流开关电路的输入端。安全解锁及点火控制电路的输入端连接外部输入的点火电源输入信号，安全解锁及点火控制电路的控制端与上级控制器相连，安全解锁及点火控制电路的电源开关驱动输出端连接点火电源开关电路的控制端，安全解锁及点火控制电路的点火开关驱动输出端连接高压脉冲电流开关电路的控制端。高压脉冲电流开关电路的输出端向外部输出高压点火脉冲输出信号。

系统27Vd.c.点火电源通过电源线从点火电源开关电路引入高压点火模块内部，点火电源开关电路受安全解锁及点火控制电路的控制，用来接通或断开升压电路的电源输入，使继电器进入预备或锁定状态。升压电路（高压DC/DC模块）完成27V低压点火电压的升压工作，转换成高压点火所需的高压直流电提供给高压储能电路使用。高压储能电路（储能电容）完成对高压点火所需点火能量的高压储存，以备点火所需。高压脉冲电流开关电路完成点火能量的控制和释放。安全解锁及点火控制电路接收上级控制器的点火命令，进行密码验证，控制完成点火操作。

安全解锁及点火控制电路包括电源模块、隔离收发器、微控制器、电源开关隔离驱动电路、以及点火开关隔离驱动电路。电源模块的输入端与外部输入的点火电源输入信号相连。电源模块的2个输出端分别连接隔离收发器和微控制器的电源输入端。隔离收发器的一端连接上级控制器，一端连接微控制器。微控制器的2个信号输出端分别连接电源开关隔离驱动电路和点火开关隔离驱动电路的输入端。电源开关隔离驱动电路的输出端连接点火电源开关电路的控制端，点火开关隔离驱动电路的输出端连接高压脉冲电流开关电路的控制端。隔离收发器为RS485隔离收发器（参见图2）或RS422隔离收发器（参见图3）。电源模块为安全解锁及点火控制电路中的隔离收发器、微控制器、电源开关隔离驱动电路、点火开关隔离驱动电路提供与点火电源隔离的工作电源。微控制器通过隔离收发器与上级控制器进行通信，接收指令并反馈信息，通过电源开关隔离驱动电路控制点火电源开关电路，通过点火开关隔离驱动电路控制高压脉冲电流开关进行点火输出。

本发明采用基于微控制器技术和串行通信技术的安全解锁及点火控制电路。采用微控制器作为电子保险电路的核心，采用串行通信来接收上级控制器发来的各种指令并反馈信息，采用地址验证和密码验证的方式进行安全解锁。安全解锁及点火控制电路的微控制器内存储了本机地址和本机密码（地址字节和密码字节均可根据需要进行增减），上级控制器通过地址字节寻找不同的高压点火装置，通过发送密码来激活它；安全解锁及点火控制电路的微控制器通过将接收到的地址字节和密码字节同本机的地址和密码进行比对，如相符则应答并解锁，转入预备状态，通过电源开关隔离驱动电路控制点火电源开关电路导通，向升压电路输出直流电压，使高压储能电路储备电能；当高压储能电路达到预定电压时，电能储备完毕，向上级控制器发出“准备就绪”信号；这时，安全解锁及点火控制电路再接受上级控制器给出的发火指令后，通过点火开关隔离驱动电路控制高压脉冲电流开关电路导通，使其向高压火工品提供发火所需的电能，完成点火操作；或者接收后续指令进行加锁。在其他任何时候，安全解锁及点火控制电路应避免高压升压电路启动和高压电源产生意外输出。根据整机系统的要求，可选用不同的通信接口芯片来完成与上级控制器的连接，如RS422/485总线，CAN总线，1553B总线等，总线上可挂接多个高压点火装置，上级控制器通过总线通信可控制多个高压点火装置进行工作。

升压电路担负高压点火继电器的升压工作，负责将点火电源输入的直流27V电压提升至规定的点火高压，提供给高压储能电路使用。在本发明中，升压电路如图4所示，包括原边供电电路，PWM控制器，开关晶体管Q1，变压器T1，二极管VD1，电容C1、C2，以及电阻R1、R2。电容C1并联在点火电源开关电路的输出端的正负极上。原边供电电路的电源输入端连接点火电源开关电路输出端的正极，原边供电电路的电源输出端连接变压器T1的初级的一端。原边供电电路的信号输出端经PWM控制器连接开关晶体管Q1的栅极，开关晶体管Q1的漏极连接变压器T1的初级的另一端，开关晶体管Q1的源极连接点火电源开关电路的输出端负极。变压器T1的次级的一端连接二极管VD1的正极，二极管VD1的负极连接高压储能电路的输入端正极，变压器T1的次级的另一端连接高压储能电路的输入端负极。电阻R1和电阻R2相互串联，且串联后的两端分别接在高压储能电路的输入端的正极和负极上，电阻R1和电阻R2的相连端连接原边供电电路的信号输入端。电容C2并联在高压储能电路的输入端的正负极上。

升压电路为单端反激式拓扑结构的DC/DC高压直流变换器，其工作方式为开关晶体管Q1在PWM控制器的控制下导通或截止；开关晶体管Q1导通时，变压器T1的初级开始储存能量；开关晶体管Q1截止时，能量传递到变压器T1的次级；变压器T1的次级电压经RC电路整流滤波后输出直流电压，调节开关晶体管Q1的导通和截止时间，并改变输出电压值。该方式具有开关波形好，储备功率大，升压器转换效率高、功率管效率高、器件发热低、热稳定性好的特点，特别有利于容性负载的升压器应用；开关波形好的另一个优点是线圈利用率高，每匝电压值高，可减少线圈匝数，有利于小型化设计。

本发明输入电源开关电路为双路冗余固态开关，受安全解锁及点火控制电路控制，用来接通或关断高压升压电路的输入电源，使系统进入预备或锁定状态。本发明采用的是脉冲大电流技术，高压储能电路为静电能量型电源，即采用电容器以小功率储能，然后高速释放；具有内部阻抗小的特性，非常适合高压点火的脉冲大电流技术特点，能够急剧放电产生脉冲大电流，保证可靠点火。本发明采用的开关主要是控制储能元件向负载高速放电，即使用的是启动开关。高压点火继电器采用火工品专用高压点火管，其体积小巧，电压电流容量大，工作稳定可靠，可满足高压点火装置各项技术指标要求。

本发明可以通过调整升压电路输出电压值及高压储能电路的能量值，匹配不同的高压发火元件，到达最佳高压点火效果。通过调整高压脉冲电流开关导通参数，匹配不同的高压发火元件，到达最佳高压点火效果。通过调整安全解锁及点火控制电路，采用不同的密码方式和通信方式，匹配不同的整机系统，到达最佳整体效果。

本发明的控制电路部分（电源开关电路、安全解锁及点火控制电路）和高压电路部分（升压电路、高压储能电路、高压脉冲电流开关电路）；可以组装在一个壳体中，成为单体结构的高压点火继电器；也可以单独装成两个独立结构，连接成高压点火继电器模式并联运行。高压点火继电器壳体设计为薄壁金属盒，可采用铸造、铣削进行加工，结构稳固、重量轻。各功能子模块通过导线进行连接，然后装入壳体。由于高压点火继电器内有高压部件的存在，为保证绝缘性能及工作的安全性，采用绝缘性能优良的硅橡胶进行整体灌封，确保了极小的空间距离内可靠地绝缘，同时极大地提高了产品在振动、潮湿等恶劣环境条件下的适应能力。

Claims (9)

1.高压点火继电器，其特征在于：主要由点火电源开关电路、安全解锁及点火控制电路、升压电路、高压储能电路、以及高压脉冲电流开关电路组成；点火电源开关电路的输入端与外部输入的点火电源输入信号相连；点火电源开关电路的输出端与升压电路的输入端相连；升压电路的输出端连接高压储能电路的输入端；高压储能电路的输出端连接高压脉冲电流开关电路的输入端；安全解锁及点火控制电路的输入端连接外部输入的点火电源输入信号，安全解锁及点火控制电路的控制端与上级控制器相连，安全解锁及点火控制电路的电源开关驱动输出端连接点火电源开关电路的控制端，安全解锁及点火控制电路的点火开关驱动输出端连接高压脉冲电流开关电路的控制端；高压脉冲电流开关电路的输出端向外部输出高压点火脉冲输出信号。

2.根据权利要求1所述的高压点火继电器，其特征在于：安全解锁及点火控制电路包括电源模块、隔离收发器、微控制器、电源开关隔离驱动电路、以及点火开关隔离驱动电路；电源模块的输入端与外部输入的点火电源输入信号相连；电源模块的2个输出端分别连接隔离收发器和微控制器的电源输入端；隔离收发器的一端连接上级控制器，一端连接微控制器；微控制器的2个信号输出端分别连接电源开关隔离驱动电路和点火开关隔离驱动电路的输入端；电源开关隔离驱动电路的输出端连接点火电源开关电路的控制端，点火开关隔离驱动电路的输出端连接高压脉冲电流开关电路的控制端。

3.根据权利要求2所述的高压点火继电器，其特征在于：隔离收发器为RS485隔离收发器或RS422隔离收发器。

4.根据权利要求1所述的高压点火继电器，其特征在于：升压电路包括原边供电电路，PWM控制器，开关晶体管Q1，变压器T1，二极管VD1，电容C1、C2，以及电阻R1、R2；电容C1并联在点火电源开关电路的输出端的正负极上；原边供电电路的电源输入端连接点火电源开关电路输出端的正极，原边供电电路的电源输出端连接变压器T1的初级的一端；原边供电电路的信号输出端经PWM控制器连接开关晶体管Q1的栅极，开关晶体管Q1的漏极连接变压器T1的初级的另一端，开关晶体管Q1的源极连接点火电源开关电路的输出端负极；变压器T1的次级的一端连接二极管VD1的正极，二极管VD1的负极连接高压储能电路的输入端正极，变压器T1的次级的另一端连接高压储能电路的输入端负极；电阻R1和电阻R2相互串联，且串联后的两端分别接在高压储能电路的输入端的正极和负极上，电阻R1和电阻R2的相连端连接原边供电电路的信号输入端；电容C2并联在高压储能电路的输入端的正负极上。

5.根据权利要求1所述的高压点火继电器，其特征在于：点火电源开关电路和安全解锁及点火控制电路形成继电器的控制电路部分；升压电路、高压储能电路和高压脉冲电流开关电路形成继电器的高压电路部分；上述控制电路部分和高压电路部分单独装成2个独立的壳体中，之后再呈并联连接形成分体结构的高压点火继电器；或上述控制电路部分和高压电路部分共同组装在同一个壳体中，形成单独体结构的高压点火继电器。

6.基于权利要求1所述高压点火继电器的运行方法，其在特征是，包括如下步骤：

低压点火电源通过电源线引入点火电源开关电路，点火电源开关电路受安全解锁及点火控制电路的控制，用来接通或断开升压电路的电源输入，使继电器进入预备或锁定状态；

升压电路完成低压点火电压的升压工作，转换成高压点火所需的高压直流电提供给高压储能电路使用；

高压储能电路完成对高压点火所需点火能量的高压储存，以备点火所需；

高压脉冲电流开关电路完成点火能量的控制和释放；

安全解锁及点火控制电路接收上级控制器的点火命令，进行密码验证，控制完成点火操作。

7.根据权利要求6所述高压点火继电器的运行方法，其在特征是，安全解锁及点火控制电路的微控制器内存储了本机地址和本机密码，上级控制器通过地址字节寻找不同的高压点火装置，通过发送密码来激活它；安全解锁及点火控制电路的微控制器通过将接收到的地址字节和密码字节同本机的地址和密码进行比对，如相符则应答并解锁，转入预备状态，通过电源开关隔离驱动电路控制点火电源开关电路导通，向升压电路输出直流电压，使高压储能电路储备电能；当高压储能电路达到预定电压时，电能储备完毕，向上级控制器发出“准备就绪”信号；这时，安全解锁及点火控制电路再接受上级控制器给出的发火指令后，通过点火开关隔离驱动电路控制高压脉冲电流开关电路导通，使其向高压火工品提供发火所需的电能，完成点火操作；或者接收后续指令进行加锁。

8.根据权利要求7所述高压点火继电器的运行方法，其在特征是，安全解锁及点火控制电路通过RS485通讯接口或RS422通讯接口来接收上级控制器的点火命令。

9.根据权利要求6所述高压点火继电器的运行方法，其在特征是，开关晶体管Q1在PWM控制器的控制下导通或截止；开关晶体管Q1导通时，变压器T1的初级开始储存能量；开关晶体管Q1截止时，能量传递到变压器T1的次级；变压器T1的次级电压经RC电路整流滤波后输出直流电压，调节开关晶体管Q1的导通和截止时间，并改变输出电压值。