李向明 李玉芳

摘要：通风冷却系统供气活门的方向控制采用了光耦控制技术，在使用过程中出现了方向控制异常故障，针对供气活门方向控制机理，对光耦的输入输出端电路设计进行了理论分析和计算，给出了系统改进方案。

Abstract： The direction control of the air supply valve of the ventilation and cooling system adopts the optocoupler control technology， and there is an abnormal direction control fault in the use process. According to the direction control mechanism of the air supply valve， the input and output design of the optocoupler is  analyzed and calculated theoretically. And the system improvement scheme is given.

關键词：供气活门;方向控制;光耦控制技术

Key words： air supply valve;direction control;optocoupler control technology

中图分类号：S274.2                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0261-03

0  引言

现代飞机适应环境越来越复杂，使用频率越来越高，机载设备的控制设计集成度越来越高，重量越来越轻，可靠性设计要求也越来越高，因此，传统采用小电压控制另一个大功率开关的开关功率放大继电器慢慢被采用一个信号控制另一个信号的起电隔离而能进行信号传递的光耦所取代，采用光耦进行逻辑控制，既能很好的进行信号传递，还具有良好的电气绝缘和信号隔离作用[1][2]。光耦具备它特有的优点，但其在集成电路中的匹配设计需要合理设计，否则会带来相反的输出结果[3]。

1  供气活门方向控制故障描述

通风冷却系统在使用过程中，系统频繁报出超温告警故障，经系统分析，系统出现超温的可能原因为系统中的供气活门工作出现了异常。采用工作电流检查法和工作电压检查法[4]对可能引起系统超温的活门开启/关闭工作电流和方向控制信号进行测量，见图1、图2，发现供气活门方向控制信号出现异常。

2  供气活门方向控制机理

供气活门方向控制的机理见图3、图4，由图4电路可知，控制器内不仅有控制活门工作方向的“地/开”信号，同时对该指令信号进行回绕检测，以识别控制器给定的指令是否正确，具体如下：

①当系统要求供气活门开工作时，控制器内光耦D3导通，F/R拉低至地，此时控制器内光耦D2和活门工作线路内光耦D1不开通，FWRE电压等于Vref的高电平;

②当系统要求供气活门关工作时，控制器内光耦D3不导通，F/R为“开路”信号，但实际上由于回绕检测电路的存在，F/R信号也通过500Ω的固定电阻负载和光耦D2在控制器内形成回路，由于控制器原理及电路参数和活门内一致，会造成供气活门内电流的分流，对光耦D1的开通性能产生一定的影响。

3  故障原因分析

3.1 供气活门控制电路分析

由图3可知，供气活门电机方向控制功能由专用芯片MC33035DW实现，芯片具有专门的电流检测引脚，其内部为过流比较器（门限制为0.18V），当外部输入电平超过0.18V时，控制芯片关断PWM[5]，从而达到限流作用。MC33035DW的输入高电平的最低值为（2.2～3）V，低电平的最高值为（0.8～1.7）。当输入信号为高电平时，产品向开方向运动;当输入信号为低电平时，产品向关方向运动。为确保产品可以正常工作，主控电路MC33035DW接收的方向信号FWRE应该保持低电平即0.8V以下。

供气活门电机方向控制的限流电阻为0.1Ω，其理论工作电流最大为1.8A。由于电阻参数的偏差、以及线路上的阻抗，实际的限流值与理论计算略有偏差。设备实测启动电流最大值为1.5A（持续时间约20ms），稳定工作时的电流约为0.2A。

3.2 光耦原理

当输入端的电流信号If驱动内部的发光二极管，使之发出一定波长的光，被光检测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后形成输出电流Ic。输出电流与输入电流的传输比是光耦的重要指标。光耦能不能正常工作，取决于前级电流、传输比、后级电流的综合匹配，三者紧密联系。本设备的光耦为北光电子的GH281-4，光耦的传输比为（100～150）%。

3.3 电路计算

3.3.1 内部电路供电电

压Vi

查电气线路更改记录，发现做过浪涌抑制电路的改进，将浪涌抑制电路调整至设备电源的输入端，不仅对控制电路，也对电机的驱动模块进行保护，可以避免高电压对设备内部器件的冲击下失效，见图5，图6。但是，由于电阻串联至整个电源回路，会造成电阻R30上存在较大的分压，尤其是在启动瞬间大电流的情况下。设备启动时短时最大电流为1.5A，此时R30上的短时分压达到了15V，去除二极管V8约1V的压降，实际Vi电压为12.5V。

3.3.2 光耦前级电流If[6]

对供气活门方向控制电路的电流进行计算[6]，见图3。

光耦前级内的二极管上的压降约为1V，计算通过电阻R24的电流约为Ii=（12.5-1）V÷（4.7+0.25）k？赘=2.32mA。由于控制器回绕检测电路与活门驱动电路光耦前级电路参数一致，因此电流均分，实际进入活门驱动电路光耦的前级电流约为1.16mA。

3.3.3 光耦后级电流Io及FWRE电压[6]

光耦的传输比为（100～150）%，按光耦最低的传输比100%计算，其后级输出电流Io为1.16mA。

光耦输出端FWRE的上拉电阻R28阻值为2kΩ，计算FWRE的电压为V=Vref-IO×R28=6.25V-1.16mA×2kΩ=3.93V。该电平在MC33035DW识别的高电平范围内，在其上会使活门持续开方向工作，最终报超温故障。

3.4 结论

经复查电路和计算分析，问题原因由浪涌抑制电路更改引起，在浪涌抑制电路更改后，未对活门方向控制逻辑线路阻值匹配进行重新校核，导致内部电压Vi经浪涌抑制电路处理后降低，其直接导致光耦前级电流、后级电流的减小，从而影响光耦FWRE电平。

4  解决措施

为保证在供气活门启动瞬间，方向信号FWRE可以保持低电平，对电路的其它性能不变的情况下综合考虑以下措施，在图4中优化下列参数：电阻R31由0.1Ω更改为0.2Ω，以减小启动时的电流值，减小前端电路压降;光耦前级的电阻R24由4.7kΩ更改为3kΩ、R23由500Ω更改为200Ω，以增大光耦前级电流：光耦后级的上拉电阻R28由2kΩ更改为4kΩ，以降低输出端在低电平时的电压值。

对电路进行计算[6]，电源电压28.5V，启动瞬间最大电流值1A，则在10Ω电阻上的压降为10V，二极管V8压降按1V计算，R24的入口电平约为Vi=17.5V，R24的电流为5.2mA。由于产品的R23电阻调整至200Ω，对电流的分配比例为5/7，因此光耦前级电流约为3.7mA，后级电流为3.7mA，FWRE输出上拉电阻R28增大至4kΩ，乘积远大于6.25V的Vref，因此可以保证光耦完全开通，达到低电平。

5  结论

经过对基于光耦控制的供气活门工作异常故障从工作机理进行分析，确认故障原因为浪涌抑制电路改进引起，在供气活门启动工况下，因较大启动电流在浪涌抑制电路上产生较大的分压从而导致供气活门在接收控制器方向控制指令时，内部的方向信号电平高于專用控制芯片MC33035DW可识别的最高低电平，造成供气方向控制功能异常。

基于光耦工作特性的工作原理，通过调整供气活门方向控制电路的部分电阻参数，有效解决了故障问题。

参考文献：

[1]章圣焰.浅谈光耦的使用方法[J].航空电子技术，2015，46（4）：51-52.

[2]卜建平.光电耦合器的应用与使用注意事项[J].电子设备世界，2011（4）：48-49.

[3]张岩.光耦在直流电机驱动系统中的应用[J].电子技术，2017（10）：67-68.

[4]段怀敏.浅谈机电设备的电气线路故障分析与处理[J].科技创业家，2012（10）：81-82.

[5]孔德杰.高精度中频双极性PWM信号发生器的FPGA实现，国外电子测量技术，2015，34（11）：32.

[6]付丽娟.光耦合器组成的模拟信号放大电路分析与设计[J].电子测试，2018（3）：79-80.

作者简介：李向明（1973-），男，陕西临潼人，硕士，高工，研究方向为飞机总体设计及型号管理。