CN107489578B - 阵列式点火控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阵列式点火控制装置，控制电路输出点火信号或泄电信号至点火回路，点火回路中若干MOS管连接成控制矩阵，矩阵每行对应连接一个电容，每个矩阵元素对应连接一个点火器；充电电源通过充电限流电阻对各个电容充电，每个电容前加二极管与其它电容相隔离；通过断开、闭合行、列两个MOS管对需要点火的冲量发动机进行点火控制；所的有电容与泄电MOS管接通，用于进行电容泄电操作。本发明能够实现多个冲量发动机共用一个点火电容，从而成倍地降低点火控制电路元器件的数量，进而降低电路布局规模，降低成本，实现较大数量冲量发动机的点火控制方案。

Description

阵列式点火控制装置
技术领域
本发明涉及一种冲量式固体姿轨控发动机的点火控制装置。
背景技术
冲量式直接力姿轨控发动机由多个小型的冲量发动机及其点火控制电路组成。它可以实现更大的横向过载和更快的响应速度。
由于冲量发动机数量较多(几十至几百)，目前姿轨控发动机上点火控制电路均使用电容作为储能元件，利用其充放电的特性完成点火。在需要进行姿态和弹道调整前，将点火电容充电，作为能量储备，当需要对应位置冲量发动机工作时，点火控制电路发出指令，使对应的点火电容放电，从而形成瞬间的大电流，点燃点火器，使冲量发动机工作。目前，点火方案一般采用一对一的方式进行点火，即一个冲量发动机对应一个点火电容，形成一个点火回路，每个回路之间相互独立，即对一个冲量发动机点火不会影响到另一个点火回路的状态。除点火回路外，还需要检测模块、电源模块、控制模块等。
由于每一个冲量发动机对应一个点火回路，再加上对应的检测模块、控制模块等，故此类点火控制方案所需的元器件数量较多，电路布局规模较大，成本较高。另外，此方案在冲量发动机数量较少时可以实现，而在冲量发动机数量较多且空间限制较大时，往往由于所需元器件数量庞大，导致方案无法实现。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种阵列式点火控制装置，能够实现多个冲量发动机共用一个点火电容，从而成倍地降低点火控制电路元器件的数量，进而降低电路布局规模，降低成本，实现较大数量冲量发动机的点火控制方案。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种阵列式点火控制装置，包括点火回路、控制电路和检测电路。
所述的控制电路通过输入接口接收外部信号，输出点火信号或泄电信号至点火回路，点火回路相应执行点火器点火或电容泄电操作；同时，在点火回路选取测试点，通过检测电路判断各个测试点的高低电平，输出至控制电路组合为测试数据，通过输出接口输出；所述的点火回路包括充电电源、充电限流电阻、电容、MOS管、二极管、泄电限流电阻和点火器；若干MOS管连接成控制矩阵，矩阵每行对应连接一个电容，每个矩阵元素对应连接一个点火器；充电电源通过充电限流电阻对各个电容充电，每个电容前加二极管与其它电容相隔离；通过断开、闭合行、列两个MOS管对需要点火的冲量发动机进行点火控制；所的有电容与泄电MOS管接通，用于进行电容泄电操作。
本发明的有益效果是：采用阵列式点火控制技术，可以达到减少点火控制电路硬件规模和降低成本的目的。
例如，对于控制100路冲量发动机点火的电路，原方案中点火回路需要100个电容、102个MOS管、100对二极管，对应的控制电路FPGA需要500个IO管脚，对应的检测电路需要比较器50个；在采用了本发明后，以四路冲量发动机共用一个电容为例，需要电容25个、MOS管31个、25对二极管、FPGA需要158个IO管脚，对应检测电路需要8个比较器。元器件数量降低至原来的26％，且FPGA器件资源降低至原方案的32％。
附图说明
图1是阵列式点火控制技术的总框图；
图2是点火回路模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本项发明提供了一种数量较多的(几十至几百)冲量式固体姿轨控发动机点火控制装置，简化了目前现有控制方法的电路规模，降低了成本。
如图1所示，本发明为阵列式点火控制技术，主要由点火回路模块、电源模块、控制电路模块、检测电路模块构成。
输入接口接收外部发送的点火、解锁、同步、泄电等信号，发送至控制模块，控制模块内部进行一系列算法，输出相应的点火输出信号、泄电信号等至点火回路，点火回路会对点火输出信号、泄电信号进行响应，执行点火器点火或电容泄电操作。同时，在点火回路选取测试点，通过将测试点的电压信号通过检测电路，判断出测试点的高低电平，然后输出至控制模块，组合为测试数据，输出至输出接口模块。所述的电源模块为控制模块、点火回路和检测电路供电。
(1)点火回路模块
如图2所示，该部分为点火控制的基本电路。主要由充电电源、充电限流电阻、电容、MOS管、二极管、泄电限流电阻、点火器组成。
通过充电电源和充电限流电阻可实现对电容的充电，每个电容可以对多个冲量发动机进行点火控制，通过断开/闭合行、列两个MOS管对需要点火的冲量发动机进行点火控制；每个电容前加二极管与其它电容相隔离；所有电容与泄电MOS管接通，用于进行电容泄电操作。
根据任务需求不同，该阵列式点火控制装置可以根据实际情况设定不同的行、列数。实际应用中，列数取值大于等于2。当列数较多时，点火回路模块可以实现用更少的器件控制更多的点火器；但同时会有所限制：同一电容同一时间只能对一个点火器进行点火，当需要对该电容对应的其它点火器点火时，需要等待一段时间，保证电容再次充电完成。实际使用时，由于不会出现同时点角度相差较大的冲量发动机的工况，故可以根据实际工况选取合适的列数。
(2)电源模块
该部分为阵列式点火控制电路各元器件提供各类供电电源。包括点火充电电源、检测充电/元器件工作电源、比较器供电电源。其中点火充电电源由外部提供。故只需要再输出两路电源即可。
该电路采用DC/DC芯片输出两路电源，给元器件提供工作电源和给点火回路检测电路中的比较器供电。
(3)控制电路模块
该部分由硬件电路和软件两部分组成。
硬件电路主要由FPGA、晶振、存储器、驱动电路等组成。FPGA接收外部设备发送过来的点火、泄电、解锁或检测信号，通过内部的软件算法，输出点火或检测信号至点火回路，并能够接收检测电路采集的点火回路测试点电平信号，将测试数据回传至外部设备；晶振为FPGA提供时钟信号；存储器用于存储控制软件，电路上电后将软件加载至FPGA；驱动电路将FPGA输出的点火信号的电流和电压提高至可以稳定开通MOS管的水平。
(4)检测电路模块
该部分由比较器、电阻等组成。
首先在点火回路设定相应的测试点作为比较器的输入端(测试点为冲量发动机点火器两端)，并采用电阻分压式的原理设定基准电压，对测试点的高低电平进行判别，最终将比较器的输出结果通过FPGA输出至外部设备，通过对测试点的高低电平与预设值之间的比较，从而判断点火回路及控制电路模块中的相关元器件是否正常、冲量发动机点火器电性能是否正常。另外，将点火回路MOS管栅极电压作为测试点，用以判断点火指令通路上的各个元器件(包括FPGA、驱动电路等)是否正常。
以控制20路点火器点火为例。阵列式点火控制装置各个模块的实现如下。
(1)点火回路实现
点火电路模块是阵列式点火控制技术的核心部分。区别于现有的点火控制技术，其将冲量发动机点火器按照行列进行分布：20路按照5行4列进行布局。使用行列控制MOS管的断开和闭合。另外，要实现对冲量发动机的点火，需要对电容存储能量和放电电流进行计算，使其满足冲量发动机点火器的发火能量和所需电流。
电容储能公式如下：
其中，W为储能值，单位为J；C为电容，单位取F；U为电压，单位取V。
电容放电时电流计算公式如下：
i＝U/R*exp(-t/RC)……………………………(2)
其中，R为放电电阻的阻值，t为放电时刻。
点火器的发火能量、发火所需电流、等效电阻为已知量，故可以通过公式(1)(2)计算出所需电容容值、电容充电电压。
另外，由于阵列式点火装置不能对同一电容对应的不同点火器进行点火，还需对等待时间进行计算，当电容充电至95％电源电压时：
tw≈3*RC…………………………………(3)
其中，tw为等待时间，R为充电限流电阻，C为电容容值。可以通过调整R、C取值，来满足合适的等待时间。
(2)电源模块实现
由于需要为各个模块提供工作电源，故可以通过两路DC/DC模块外接外部电源实现，分别给元器件供工作电源和给检测电路比较器供电。
(3)控制电路模块实现
该部分主要作用是接收外部设备的输入信号；对点火回路进行点火控制；给检测点路发送相应的测试时序，并响应检测回路的反馈信号，进行处理后输出给外部设备。
硬件电路主要由FPGA、晶振、存储器、驱动电路等组成。根据点火控制及检测的实际需要，其管脚分配包括以下内容：
外部输入的点火信号，其作用是确定对哪一路冲量发动机进行点火；
外部输入的泄电/解锁/同步信号，分别用于对已充电的电容进行泄电，保证点火的可靠性、保证各点火信号的同步性；
测试用地址信号，其作用时为检测时对各点火回路进行选通；
测试点信号，为检测电路反馈至FPGA的电平信号，用以判断各点火回路的工作是否正常；
输出至驱动电路的点火指令，为经同步信号同步过的点火信号，其输出至驱动电路；
驱动电路使能信号，为驱动电路提供使能，保证点火可靠性；
输出至点火回路的泄电信号，为FPGA响应输入的泄电信号后，输出至点火回路的泄电信号；
输出至外部设备的测试数据信号，为将测试点信号处理后，输出至外部设备的信号；
时钟信号，为晶振输出至FPGA的信号，提供时序电路的时钟；
供电电源及数字地：为FPGA提供电源和地，保证芯片正常工作。
(4)检测电路模块
该部分由比较器、电阻等组成。其作用是对点火回路测试点电压进行采集，与基准电压进行比较，输出高低电平信号至FPGA，用以判断点火回路的工作状态是否正常。
基准电压的选取需要考虑实际需要。首先要对电容、二极管的好坏进行判断，另外，点火时需要点火电压足够大，故该测试点的基准电压选择需要接近测试充电电压，实际应用中，取测试充电电压的80％即可；另外，要判断点火器是否断开或阻值过大，故基准电压可以较低，不受噪声扰动即可。
首先在点火回路设定相应的测试点作为比较器的输入端(测试点为冲量发动机点火器两端)，并采用电阻分压式的原理设定基准电压，对测试点的高低电平进行判别，最终将比较器的输出结果通过FPGA输出至外部设备，通过对测试点的高低电平与预设值之间的比较，从而判断点火回路及控制电路模块中的相关元器件是否正常、冲量发动机点火器电性能是否正常。另外，将点火回路MOS管栅极电压作为测试点，用以判断点火指令通路上的各个元器件(包括FPGA、驱动电路等)是否正常。

Claims (1)

1.一种阵列式点火控制装置，包括点火回路、控制电路和检测电路，其特征在于：所述的控制电路通过输入接口接收外部信号，输出点火信号或泄电信号至点火回路，点火回路相应执行点火器点火或电容泄电操作；同时，在点火回路选取测试点，通过检测电路判断各个测试点的高低电平，输出至控制电路组合为测试数据，通过输出接口输出；所述的点火回路包括充电电源、充电限流电阻、电容、MOS管、二极管、泄电限流电阻和点火器；若干MOS管连接成控制矩阵，矩阵每行对应连接一个电容，每个矩阵元素对应连接一个点火器；充电电源通过充电限流电阻对各个电容充电，每个电容前加二极管与其它电容相隔离；通过断开、闭合行、列两个MOS管对需要点火的冲量发动机进行点火控制；所的有电容与泄电MOS管接通，用于进行电容泄电操作。
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