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液体火箭发动机地面试验控制电路的设计与分析

徐勇 郭红杰 超力德 黄俊杰 梁国柱

徐勇,郭红杰,超力德,等. 液体火箭发动机地面试验控制电路的设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(7):2245-2255 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0614
引用本文: 徐勇,郭红杰,超力德,等. 液体火箭发动机地面试验控制电路的设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(7):2245-2255 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0614
XU Y,GUO H J,CHAO L D,et al. Design and analysis of ground test control circuit on liquid rocket engine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(7):2245-2255 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0614
Citation: XU Y,GUO H J,CHAO L D,et al. Design and analysis of ground test control circuit on liquid rocket engine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(7):2245-2255 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0614

液体火箭发动机地面试验控制电路的设计与分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0614
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:guohongjie@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V442;TP211+.4

Design and analysis of ground test control circuit on liquid rocket engine

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  • 摘要:

    针对液体火箭发动机地面试验控制系统须抑制控制电路输入端的脉冲噪声、输出端的反峰电压及控制电流测量精度低等问题,运用放大电路原理,采用电路仿真方法,设计了基于电路印制板型固态继电器的控制驱动和控制电流测量电路。控制驱动电路应用“二极管+稳压二极管”模块以实现降低反峰电压和缩短复位时间的效果,控制驱动电路中固态继电器输出端集成了光耦隔离模块用于反馈控制信号,控制电流测量电路主要由霍尔效应电流感应模块和运算放大器构成以达到较高精度测量控制电流的目的。通过电路仿真,分析了控制驱动电路的反峰电压抑制模块、控制电流测量电路的动静态特性。仿真和实测结果表明:控制电流测量电路的基本误差为6.66%±1.80%,电路上升时间小于0.3 ms,下降时间小于0.5 ms;控制驱动电路的接通时间小于2 $ \text{μs} $,关断时间小于0.5 ms,“标准恢复二极管+齐纳二极管”方法能有效抑制反峰电压;控制驱动电路可应用于液体火箭发动机高精度的地面试验控制系统研制。

     

  • 图 1  地面试验控制系统硬件架构

    Figure 1.  Hardware architecture of ground test control system

    图 2  控制驱动电路原理

    Figure 2.  Schematic of control drive circuit

    图 3  常见抑制反峰电压方法仿真电路原理

    Figure 3.  Simulation circuit schematic of common inverse peak voltage suppression methods

    图 4  不同抑制反峰电压方法的仿真结果对比

    Figure 4.  Comparison of simulation results for different methods to suppress peak inverse voltage

    图 5  反相正基准电压同相放大电路原理

    Figure 5.  Non-inverting amplifier circuit schematic diagram with inverting positive reference voltage

    图 6  反相正基准电压同相放大电路仿真结果

    Figure 6.  Simulation results of non-inverting amplifier circuit with inverting positive reference voltage

    图 7  控制电路组成与工作原理

    Figure 7.  Control circuit board composition and working principle

    图 8  控制电路原理

    Figure 8.  Control circuit principle

    图 9  控制电路板

    Figure 9.  Control circuit board

    图 10  控制驱动电路的动态性能测试结果

    Figure 10.  Dynamic performance test results of control drive circuit

    图 11  控制电流测量电路的动态性能测试结果

    Figure 11.  Dynamic performance test results of control current measurement circuit

    图 12  电磁阀关断瞬间的反峰电压

    Figure 12.  Peak inverse voltage at the turn-off moment of solenoid valve

    表  1  不同抑制反峰电压方法仿真结果

    Table  1.   1Simulation results of different inverse peak voltage suppression methods

    方法 反峰电压峰值/V 复位时间/ms
    D 1N4934 0.92 7.705
    1N5401 0.73 8.331
    DR 1N4934+10 Ω 2.35 7.365
    1N4934+50 Ω 8.06 6.285
    1N5401+10 Ω 2.16 7.955
    1N5401+50 Ω 7.88 6.766
    DZ 1N4934+1N5337 5.43 3.875
    1N5401+1N5337 5.25 3.902
    ZZ 1N5368+1N5337 5.46 3.921
    Rad 20 Ω×50% 1.43 3.727
    100 Ω×50% 7.15 5.669
    200 Ω×50% 14.31 5.461
    RC 10 Ω+1 μF 65.12 23.458
    10 Ω+10 μF 9.78 19.085
    DZR 1N4934+1N5337+10 Ω 6.86 3.752
    1N4934+1N5337+50 Ω 12.58 3.343
    1N5401+1N5337+10 Ω 6.68 3.775
    1N5401+1N5337+50 Ω 12.39 3.355
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    表  2  抑制反峰电压电路方法对比

    Table  2.   Comparison of methods to suppress peak inverse voltage

    方法对比项适用性
    抑制PIV峰值效果复位时间额外功耗选型难易
    D最佳偏长很小简单
    DR很好偏长很小稍复杂
    DRC很好偏长很小复杂
    DZ很小稍复杂
    ZZ很小稍复杂
    Rad很好最短复杂
    RC最差最长较小复杂
    DZR较好很短很小复杂
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    表  3  不同抑制反峰电压方法的适用情况举例

    Table  3.   Examples of application on different methods to suppress peak inverse voltage

    执行部件控制特性适用电路方法及其次序
    电磁阀高频开关动作DZ、D、ZZ
    电动阀低频开关动作D、DZ、ZZ
    电点火器低频开关动作D、DZ、ZZ
    电磁气动阀高频开关动作DZ、D、ZZ
    流量调节器步进动作/高频开关动作DZ、D、ZZ
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    表  4  控制电流测量电路的设计条件和设计目标

    Table  4.   Design conditions and design objectives of control current measurement circuit

    ACS712供电
    电压/V
    ACS712输出
    电压/V
    参考
    电压/V
    正负
    隔离电源/V
    LM321输出
    电压/V
    5 1.575~3.425 2.5 ±12 −10~10
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    表  5  控制电路测试项

    Table  5.   Control circuit test items

    序号测试项
    1控制驱动电路及电流测量电路的动态性能
    2电流测量电路的准确度
    3控制电路抑制反峰电压效果
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    表  6  开关电源输出阶梯型电流

    Table  6.   Switching power supply outputs stepped current

    序号 升程电流/A 回程电流/A 持续时间/s
    1 0 0 3
    2 1.25 1.25 3
    3 2.5 2.5 3
    4 3.75 3.75 3
    5 5 5 3
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    表  7  控制电流测量电路准确度分析结果

    Table  7.   Accuracy analysis results of control current measurement circuit

    电流标准值/A 理论输出值/V 升程电压/V 回程电压/V
    第1组 第2组 第3组 第1组 第2组 第3组
    0 0 −0.13953 −0.10075 −0.06805 −0.06151 −0.07936 −0.09029
    1.25 2.5 2.24591 2.29788 2.30546 2.32679 2.35502 2.31732
    2.5 5 4.66812 4.67193 4.68949 4.69761 4.70027 4.72886
    3.75 7.5 7.05219 7.06046 7.08349 7.04689 7.06249 7.1007
    5 10 9.40493 9.45529 9.43293 9.43447 9.43617 9.43293
     注:准确度分析结果:线性误差为0.00215,回差为0.00499,重复性误差为0.00714,基本误差(满量程)为0.05678,零点输出误差为0.00899。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-13
  • 录用日期:  2022-09-02
  • 网络出版日期:  2022-09-23
  • 整期出版日期:  2024-07-18

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