【关键词】电磁阀驱动控制技术；姿轨控系统；模糊PID算法

引言

随着航天器姿轨控系统对高精度、快速响应的需求升级，电磁阀驱动控制技术成为发动机推力调节的核心环节，其性能直接决定姿轨控的动态效率。当前电磁铁方案虽响应快，但输出力与行程受限；音圈电机、空心杯电机等精密伺服元件虽精度高，却面临负载下的响应瓶颈。多路信号同步、高压环境稳定性及HDLC/RS485协议实时性等问题制约系统性能，亟需通过优化元件选型、融合自适应PID算法、强化工业级芯片冗余设计，突破极端工况下的技术壁垒，为高可靠航天发动机控制提供关键支撑[1]。

一、电磁阀驱动控制技术原理

（一）姿轨控发动机驱动控制系统架构

姿轨控发动机驱动控制系统采用分层模块化架构，由控制核心、执行单元及安全模块构成。姿轨控发动机控制流程如图1所示。

控制核心基于自适应PID与模糊控制融合算法，实时解算导航指令并生成脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制信号，通过脉宽调制实现0.5%FS级推力精度。执行层采用多通道H桥驱动电路，支持姿控发动机集群的1 ms级同步控制，各通道集成电流闭环反馈及隔离保护电路[2]。

（二）关键驱动执行元件工作原理

电磁铁作为轨控阀的核心执行元件，其力输出基于磁路理论，其计算如公式（1）所示：

F=B2S2μ0 （1）

其中，F为电磁力，B为磁感应强度，S为气隙截面积，μ0为真空磁导率。

通过调节线圈匝数与励磁电流，可优化电磁力与响应时间（小于等于10 ms）。然而电磁铁受限于磁饱和效应与机械行程，输出力与动态范围有限。音圈电机基于洛伦兹力原理直接输出直线运动，具备高频响应、高加速度特性，适用于短行程精密伺服场景[3]。空心杯电机通过无铁芯设计降低转动惯量，机械时间常数小于10 ms，结合行星减速器可将转速转换为轴向力，定位精度达±0.05 mm。其扭矩M的计算如公式（2）所示：

M+Jβ=mr22·ΔωΔt （2）

其中，J为转动惯量，β为角加速度，m为质量，r为线速度。两类电机均需配合光栅编码器实现位置反馈，形成闭环控制，确保姿控阀动作的重复精度与可靠性。

（三）压力信号采集与闭环控制逻辑

系统通过1路燃气压力传感器实时监测燃气发生器状态，信号处理流程包括：数据采集阶段每2 ms进行一次压力采样，将采集到的数据经14位高精度模数转换器（AnalogtoDigital Converter，ADC）转换为数字信号；随后采用滑动平均滤波消除噪声干扰，并将处理后的数据存储至现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）缓存；压力判断环节中，当64次采样均值大于等于9 MPa时触发建压指令并将其发送至执行机构，若均值低于阈值则暂停指令传输；闭环反馈机制将压力数据与阀门状态实时回传至控制器，通过模糊自适应PID算法动态调节驱动信号，确保发动机推力上升至稳态90%的时间小于等于15 ms。

二、姿轨控系统驱动控制技术现状

（一）现有驱动控制技术分析

在现有驱动控制技术中，电磁铁凭借其结构简单、响应速度快的特点，广泛应用于轨控阀的开关控制，但其输出力受限于磁路设计和机械行程，难以满足大推力场景需求。相比之下电机驱动方案通过闭环控制实现高精度位移调节，结合行星减速器可将扭矩提升至0.504 N·m，输出轴向力达100 N，但负载条件下的响应时间仍是技术瓶颈。