套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列

《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》是蘭州空間技術物理研究所於2013年12月24日申請的專利，該專利的公布號為CN103809473A，申請公布日為2014年5月21日，發明人是梁凱、趙登峰、劉興旺、王克成、孟偉等。該發明涉及供電切換技術領域。

《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》包括：位於陣列機箱中的指令輸入接口、隔離驅動電路、隔離遙測電路、遙測輸出接口、功率輸入接口、高壓繼電器組、接地電阻網路和功率輸出接口；指令輸入接口分別與隔離驅動電路和隔離遙測電路相連；隔離驅動電路分別與指令輸入接口和高壓繼電器組相連；高壓繼電器組分別與隔離驅動電路、隔離遙測電路、功率輸入接口和功率輸出接口相連；隔離遙測電路分別與指令輸入接口、高壓繼電器組和遙測輸出接口相連；接地電阻網路與陣列機箱相連。該發明可以提高電推進系統供電切換的安全性。

2017年12月11日，《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列
• 申請人：蘭州空間技術物理研究所
• 申請日：2013年12月24日
• 申請號：2013107247903
• 公布號：CN103809473A
• 公布日：2014年5月21日
• 發明人：梁凱、趙登峰、劉興旺、王克成、孟偉、李興坤、楊樂、孫明明、楊俊泰、丁國宗、趙成仁、張鵬
• 地址：甘肅省蘭州市城關區渭源路97號
• 分類號：G05B19/04(2006.01)I
• 代理機構：北京志霖恆遠智慧財產權代理事務所
• 代理人：孟阿妮
• 類別：發明專利

專利背景

截至2013年12月，中國國內離子電推進系統研製專注於推力器、電源等單機及單套系統集成技術的研究，對該系統在軌多台、套的套用技術未開展深入研究。在長壽命通信衛星平台或深空探測任務套用該系統時，多台推力器需要進行可靠地供電切換。例如在通信衛星完成10～15年的南北位保任務中，需實現單台電源處理單元對兩台推力器供電切換的操作，該切換需由高壓繼電器陣列來實現，中國國內尚未開展該設備的技術研究，因此為適應電推進系統在通信衛星及深空探測推進任務的需求，有必要研製出一種電推進系統供電切換專用的高壓繼電器陣列設備。

發明內容

專利目的

該發明提供一種套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，以解決電推進系統供電切換的安全問題。

技術方案

《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》包括：位於陣列機箱中的指令輸入接口、隔離驅動電路、隔離遙測電路、遙測輸出接口、功率輸入接口、高壓繼電器組、接地電阻網路和功率輸出接口；所述指令輸入接口分別與所述隔離驅動電路和所述隔離遙測電路相連，用於為所述隔離驅動電路和所述隔離遙測電路供電，並將接收到的電推進控制單元傳送的供電切換指令傳送至所述隔離驅動電路；所述隔離驅動電路分別與所述指令輸入接口和所述高壓繼電器組相連，用於接收所述指令輸入接口傳送的供電切換指令，並將所述供電切換指令轉換為驅動指令傳送至所述高壓繼電器組。

所述高壓繼電器組分別與所述隔離驅動電路、所述隔離遙測電路、所述功率輸入接口和所述功率輸出接口相連，用於依據所述驅動指令進行供電切換，並將反應供電切換結果的繼電器狀態指示信號傳送給所述隔離遙測電路；所述隔離遙測電路分別與所述指令輸入接口、所述高壓繼電器組和所述遙測輸出接口相連，用於接收所述高壓繼電器組傳送的狀態電平，並將所述狀態電平反饋給所述電推進控制單元；所述接地電阻網路與所述陣列機箱相連。

改善效果

與2013年12月之前的技術相比，《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》選用高壓繼電器組實現電推進系統中單台電源處理單元對兩台推力器供電的切換，由於隔離驅動電路可以將切換指令與高壓繼電器組的線圈供電電源隔離開來，隔離遙測電路可以將繼電器狀態指示信號與繼電器輔助觸點隔離開來，並且可以對推力器的通斷狀態進行遙測，便於對電推進系統進行故障診斷。因此該發明具備隔離保護功能，可以在某一支路電推力器發生故障時，隔離故障推力器，同時保護衛星供電母線。因此該發明可以提高電推進系統供電切換的安全性和可靠性，最佳化了整星資源配置。

附圖說明

圖1為該發明實施例提供的一種套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列的組成示意圖；

圖2為該發明實施例提供的高壓繼電器陣列與電推進電源處理單元的連線關係圖；

圖3為該發明實施例提供的繼電器兩組觸點與電源處理單元中陽極電源輸出正端、接地電阻網路的連線關係圖；

圖4為該發明實施例提供的保險指令和切換指令的時序圖。

附圖示記：1-指令輸入接口；2-隔離驅動電路；3-隔離遙測電路；4-遙測輸出接口；5-功率輸入接口；6-高壓繼電器組；7-接地電阻網路；8-功率輸出接口；9-陣列機箱。

權利要求

1.《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》其特徵在於，包括：位於陣列機箱中的指令輸入接口、隔離驅動電路、隔離遙測電路、遙測輸出接口、功率輸入接口、高壓繼電器組、接地電阻網路和功率輸出接口；所述指令輸入接口分別與所述隔離驅動電路和所述隔離遙測電路相連，用於為所述隔離驅動電路和所述隔離遙測電路供電，並將接收到的電推進控制單元傳送的供電切換指令傳送至所述隔離驅動電路；所述隔離驅動電路分別與所述指令輸入接口和所述高壓繼電器組相連，用於接收所述指令輸入接口傳送的供電切換指令，並將所述供電切換指令轉換為驅動指令傳送至所述高壓繼電器組；所述高壓繼電器組分別與所述隔離驅動電路、所述隔離遙測電路、所述功率輸入接口和所述功率輸出接口相連，用於依據所述驅動指令進行供電切換，並將反應供電切換結果的繼電器狀態指示信號傳送給所述隔離遙測電路；所述隔離遙測電路分別與所述指令輸入接口、所述高壓繼電器組和所述遙測輸出接口相連，用於接收所述高壓繼電器組傳送的狀態電平，並將所述狀態電平反饋給所述電推進控制單元；所述接地電阻網路與所述陣列機箱相連。

2.根據權利要求1所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：所述高壓繼電器組連線有第一工作推力器和第二工作推力器；所述高壓繼電器組包括多個磁保持繼電器，所述高壓繼電器組包括：公共觸點、A組觸點、B組觸點和輔助觸點；所述公共觸點的一端通過所述功率輸入接口與電推進電源處理單元相連；所述A組觸點與第一工作推力器的電極相連；所述B組觸點與第二工作推力器的電極相連；輔助觸點將輔助觸點的電平狀態作為供電切換結果傳送給所述隔離遙測電路；所述供電切換指令指示切換到第一工作推力器或第二工作推力器；當所述供電切換指令指示切換到第一工作推力器時，所述公共觸點的另一端與所述A組觸點相連；輔助觸點將所述A組觸點所在磁保持繼電器的輔助觸點的電平狀態作為供電切換結果傳送給所述隔離遙測電路。

3.根據權利要求2所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：當所述供電切換指令指示切換到第一工作推力器時，所述B組觸點通過所述接地電阻網路與陣列機箱的外殼相連。

4.根據權利要求1所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：所述供電切換指令包括：保險指令和切換指令；所述隔離驅動電路用於，根據所述保險指令接通給所述高壓繼電器組供電的電源，根據所述切換指令驅動所述高壓繼電器組進行切換操作。

5.根據權利要求4所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：所述保險指令的時長為100毫秒-300毫秒，所述切換指令的時長為120毫秒-280毫秒，所述保險指令的時長大於所述切換指令的時長。

6.根據權利要求1所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：所述隔離驅動電路和隔離遙測電路選用光耦器件進行隔離。

7.根據權利要求1所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：陣列機箱的兩側板上部，設定有用於排出所述陣列機箱內氣體的排氣孔。

8.根據權利要求1所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：所述指令輸入接口、隔離驅動電路、隔離遙測電路和遙測輸出接口設定於印製電路板上；所述指令輸入接口通過所述印製電路板上的覆銅導線分別與所述隔離驅動電路和所述隔離遙測電路相連，所述隔離驅動電路通過所述印製電路板上的覆銅導線與所述指令輸入接口相連，所述隔離遙測電路通過所述印製電路板上的覆銅導線分別與所述指令輸入接口和所述遙測輸出接口相連；所述高壓繼電器組通過引線分別與所述隔離驅動電路、所述隔離遙測電路、所述功率輸入接口和所述功率輸出接口相連。

9.根據權利要求8所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：所述引線加裝絕緣套管。

10.根據權利要求2所述的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，其特徵在於：高壓繼電器組的公共觸點、A組觸點、B組觸點和輔助觸點引出的導線處採用矽橡膠進行真空灌封處理。

實施方式

參照圖1，是該發明實施例提供的一種套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列的組成示意圖，該實施例中所述套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，具體可以包括：位於陣列機箱9中的指令輸入接口1、隔離驅動電路2、隔離遙測電路3、遙測輸出接口4、功率輸入接口5、高壓繼電器組6、接地電阻網路7和功率輸出接口8。

所述指令輸入接口1分別與所述隔離驅動電路2和所述隔離遙測電路3相連，用於為所述隔離驅動電路2和所述隔離遙測電路3供電，並將接收到的電推進控制單元傳送的供電切換指令傳送至所述隔離驅動電路2。需要說明的是，電推進系統包括電推進控制單元、電推進電源處理單元和高壓繼電器陣列。高壓繼電器陣列通過指令輸入接口1接收來自電推進控制單元的供電切換指令，為確保繼電器可靠動作及故障隔離，在該發明的一種優選實施例中，所述供電切換指令可以經光耦或磁耦隔離後載入到高壓繼電器組6的線圈上，光耦隔離耐壓值為直流3500伏（測試時間60秒）。所述隔離驅動電路2分別與所述指令輸入接口1和所述高壓繼電器組6相連，用於接收所述指令輸入接口1傳送的供電切換指令，並將所述供電切換指令轉換為驅動指令傳送至所述高壓繼電器組6。

需要說明的是，所述供電切換指令包括：保險指令和切換指令。所述隔離驅動電路2用於，根據所述保險指令接通給所述高壓繼電器組供電電源，根據所述切換指令驅動所述高壓繼電器組進行切換操作。因此隔離驅動電路2可以將切換指令與高壓繼電器組6的線圈供電電源隔離開來，提高了空間高壓繼電器陣列套用於電推進系統時的安全性和可靠性。在該發明的一種優選實施例中，所述保險指令的時長為100毫秒-300毫秒，所述切換指令的時長為120毫秒-280毫秒，所述保險指令的時長大於所述切換指令的時長。在該發明的一種優選實施例中，所述保險指令的時長為200毫秒，所述切換指令的時長為120毫秒。在該發明的一種優選實施例中，所述隔離驅動電路2可以選用光耦器件進行隔離，光耦隔離耐壓值為直流3500伏。在該發明的一種優選實施例中，所述隔離驅動電路2接通給高壓繼電器組供電的+28伏電源。隔離驅動電路2還可以選用磁耦器件進行隔離。

所述高壓繼電器組6分別與所述隔離驅動電路2、所述隔離遙測電路3、所述功率輸入接口5和所述功率輸出接口8相連，用於依據所述驅動指令進行供電切換，並將反應供電切換結果的繼電器狀態指示信號傳送給所述隔離遙測電路3。所述隔離遙測電路3分別與所述指令輸入接口1、所述高壓繼電器組6和所述遙測輸出接口4相連，用於接收所述高壓繼電器組6傳送的狀態電平，並將所述狀態電平反饋給所述電推進控制單元。需要說明的是，在該發明的一種優選實施例中，所述隔離遙測電路3可以選用光耦器件進行隔離，在該發明的另一種優選實施例中，光耦隔離耐壓值為直流3500伏，隔離遙測電路3還可以選用磁耦器件進行隔離。而所述繼電器狀態指示信號通過所述高壓繼電器組6的繼電器輔助觸點進行傳送，隔離遙測電路3可以將所述繼電器狀態指示信號與繼電器輔助觸點進行隔離，提高了空間高壓繼電器陣列套用於電推進系統時的安全性和可靠性。需要說明的是，在高壓繼電器陣列中設定隔離遙測電路3，可以對推力器的通斷狀態進行遙測，便於對電推進系統進行故障診斷。

所述接地電阻網路7與所述陣列機箱9相連。在該發明的一種優選實施例中，所述接地電阻網路7可以選用100KΩ的電阻。該發明提供的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，選用高壓繼電器組6實現電推進系統中單台電源處理單元對兩台推力器供電的切換，由於隔離驅動電路2可以將切換指令與高壓繼電器組的線圈供電電源隔離開來，隔離遙測電路3可以將繼電器狀態指示信號與繼電器輔助觸點隔離開來，並且可以對推力器的通斷狀態進行遙測，便於對電推進系統進行故障診斷。因此該發明具備隔離保護功能，可以在某一支路電推力器發生故障時，隔離故障推力器，同時保護衛星供電母線。因此該發明可以提高電推進系統供電切換的安全性和可靠性，最佳化了整星資源配置。

需要說明的是，一個高壓繼電器陣列可以對多台推力器進行控制，該實施例以高壓繼電器陣列控制兩台推力器為例進行說明，高壓繼電器組6連線有第一工作推力器和第二工作推力器。所述高壓繼電器組6包括多個磁保持繼電器，所述高壓繼電器組包括：公共觸點、A組觸點、B組觸點和輔助觸點。所述公共觸點的一端通過所述功率輸入接口與電推進電源處理單元相連；所述A組觸點與第一工作推力器的電極相連；所述B組觸點與第二工作推力器的電極相連；輔助觸點將輔助觸點的電平狀態作為供電切換結果傳送給所述隔離遙測電路。所述供電切換指令指示切換到第一工作推力器或第二工作推力器；當所述供電切換指令指示切換到第一工作推力器時，所述公共觸點的另一端與所述A組觸點相連；輔助觸點將所述A組觸點所在磁保持繼電器的輔助觸點的電平狀態作為供電切換結果傳送給所述隔離遙測電路。在該發明的一種優選實施例中，當所述供電切換指令指示切換到第一工作推力器時，所述B組觸點通過所述接地電阻網路7與陣列機箱9的外殼相連。

可以結合圖2理解上述公共觸點、A組觸點、B組觸點和輔助觸點。參照圖2，為該發明實施例提供的高壓繼電器陣列與電推進電源處理單元的連線關係圖。其中，電源處理單元10包括9路電源，電源處理單元10的供電輸出與繼電器陣列20相連，具體與繼電器陣列中高壓繼電器組的8個公共觸點相連，即圖中繼電器陣列中的陽極電源、陰極加熱電源、陰極觸持電源、陰極點火電源、屏柵回線、加速電源、中加熱電源和中觸持電源。高壓繼電器組包括8路繼電器，每路繼電器都可以進行南北路切換。供電切換指令會指示切換至哪個電推進器，比如指示切換至第一電推進器，此時與第一電推進相連的觸點就是A組觸點，沒選中的觸點為B組觸點，即非供電支路。非供電支路連線高阻接機殼地，即B組觸點通過所述接地電阻網路7與陣列機箱9的外殼相連。該發明提供的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，可以接收電推進控制單元的供電切換指令，根據供電切換指令來實現對應磁保持繼電器的觸點切換，使電推進電源處理單元的供電端（繼電器公共觸點）切換至選中推力器的電極（繼電器A組觸點），未選中推力器的電極（繼電器B組觸點）接高阻與陣列機箱的外殼相連，同時將被切換繼電器輔助觸點的電平狀態反饋給電推進控制單元，以便系統操作人員辨識各切換繼電器的觸點接通狀態。

在該發明的一種優選實施例中，上述高壓繼電器組的公共觸點、A組觸點、B組觸點和輔助觸點引出的導線處採用矽橡膠進行真空灌封處理。參照圖3，為該發明實施例提供的繼電器兩組觸點與電源處理單元中陽極電源輸出正端、接地電阻網路的連線關係圖。繼電器兩組觸點（A組觸點和B組觸點）中A1與B2並聯，A2與B1並聯，當供電支路切換到北路推力器陽極+時（陽極電源+與C1連線），南路推力器的陽極+與C2連線，即與陣列機殼經高阻連線。

參照圖4，為該發明實施例提供的保險指令和切換指令的時序圖，由於在推力器工作時，在繼電器觸點之間存在高壓、大功率信號，為避免誤操作以及驅動故障造成的+28伏輔助供電母線的短路，確保繼電器的安全、可靠切換，除在電推進控制單元一側進行防誤操作設計外，在繼電器陣列一側也應防誤操作設計，該實施例採用的方式是在對每一路繼電器進行南北路切換時，同時發出兩條操作指令，及保險指令（Arming）與切換指令，並對兩條指令的脈衝寬度做出約束。在進行切換操作時，電推進控制單元先發出保險指令接通28伏供電母線，隨即發出切換指令脈衝，使繼電器線包28伏驅動電壓接通，切換操作完成後，28伏母線供電被釋放，避免如繼電器一側出現短路故障時影響28伏母線上其他設備的正常工作。指令時序如圖4所示。在該發明的一種優選實施例中，電推進控制單元在對繼電器進行切換操作時先發出一條200毫秒時長的保險指令接通給繼電器線包供電的+28伏電源，在該時間視窗內同時發出一條約120毫秒的驅動指令來驅動磁保持繼電器，這樣，在切換操作完成後，+28伏供電母線被及時釋放。

該發明實施例提供的套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列，採用高、低壓電路分立布局設計。指令輸入接口1、隔離驅動電路2、隔離遙測電路3、遙測輸出接口4為低壓小功率電路，功率輸入接口5、高壓繼電器組6、功率輸出接口8為高壓大功率供電電路，分立布局設計是指將兩類電路分立布置，獨立走線，在空間上確保兩類信號距離在300毫米以上，低壓小功率電路在獨立的印製電路板上，高壓大功率供電信號由高壓繼電器組6經單獨的引線直接與功率輸入接口5和功率輸出接口8連線。即所述指令輸入接口1、隔離驅動電路2、隔離遙測電路3和遙測輸出接口4設定於印製電路板上；所述指令輸入接口1通過所述印製電路板上的覆銅導線分別與所述隔離驅動電路2和所述隔離遙測電路3相連，所述隔離驅動電路2通過所述印製電路板上的覆銅導線與所述指令輸入接口1相連，所述隔離遙測電路3通過所述印製電路板上的覆銅導線分別與所述指令輸入接口1和所述遙測輸出接口4相連；所述高壓繼電器組6通過引線分別與所述隔離驅動電路2、所述隔離遙測電路3、所述功率輸入接口5和所述功率輸出接口8相連。

因為高壓繼電器陣列具有高壓輸出特性，而陣列機箱9為非密封設計，所以為了陣列機箱內部在真空環境下具有良好出氣性能，避免高壓放電的發生，在該發明的一種優選實施例中，陣列機箱9的兩側板上部，設定有用於排出所述陣列機箱內氣體的排氣孔，在該發明的另一種優選實施例中，所述排氣孔的直徑可以為2毫米。可以在陣列機箱9的兩側板上部，共打200個直徑為2毫米的排氣孔。經試驗驗證，所述排氣孔在熱真空試驗中，能有效達到排出陣列機箱內氣體的目的，保證陣列機箱內部在短時間內達到與環境相同的壓力，避免在低氣壓環境下發生放電，同時所述排氣孔不影響陣列機箱的抗力學性能。

在該發明的一種優選實施例中，所述引線加裝絕緣套管。對陣列機箱中裸露的器件管腳和引線進行絕緣防護處理，加裝絕緣套管，可以防止高電壓電路發生電暈和飛弧問題。在該發明的一種優選實施例中，所述高壓繼電器組6採用矽灌封膠進行真空灌封，該實施例中具體將調配好的矽灌封膠灌滿高壓繼電器組，放入真空罐並靜置後在300帕-100帕的壓力下進行真空除氣，之後在60℃-70℃烘箱中固化2小時-3小時。經過上述處理，灌封材料的耐壓能力可以達到10千伏/1毫米。

在該發明上述各實施例中，實施例的序號和/或先後順序僅僅便於描述，不代表實施例的優劣。對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。該領域普通技術人員可以理解：實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程式指令相關的硬體來完成，前述的程式可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該程式在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：唯讀存儲器（Read-Only Memory，簡稱ROM）、隨機存取存儲器（Random Access Memory，簡稱RAM）、磁碟或者光碟等各種可以存儲程式代碼的介質。

榮譽表彰

2017年12月11日，《套用於電推進系統的空間高壓繼電器陣列》獲得第十九屆中國專利優秀獎。