溫控閥電性能測試設(shè)備的研究與應(yīng)用

張 軍 朱仰招

（北京航天動力研究所，北京 100076）

0 引言

溫控閥用于航天器熱控流體回路中，是熱控流體回路溫度調(diào)節(jié)的執(zhí)行設(shè)備。它通過調(diào)節(jié)流入主路和旁路的流量分配，從而達到控制回路溫度的目的，是航天器熱控流體回路的關(guān)鍵產(chǎn)品[1]。

溫控閥為三通閥，主要由端蓋、閥座、閥盤、角位移傳感器和步進電機組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在控制設(shè)備的驅(qū)動下，溫控閥的步進電機動作，并帶動閥芯轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)主路、旁路的流量調(diào)節(jié)。溫控閥的閥門開度通過角位移傳感器進行監(jiān)測和顯示。當(dāng)熱控系統(tǒng)的溫度偏高時，控制系統(tǒng)將會驅(qū)動溫控閥的步進電機工作，帶動滑盤轉(zhuǎn)動，使溫控閥的主路開大（流量增加），旁路關(guān)?。髁繙p?。?，從而使得熱控系統(tǒng)的溫度下降[2]；反之亦然。

圖1 溫控閥結(jié)構(gòu)圖

溫控閥在生產(chǎn)試驗階段，必須通過各種試驗考核才能投入使用，其中一項考核為電性能測試，主要包括進回程差、丟步電壓、啟動電壓等測試[3]。電性能測試原理為：設(shè)置溫控閥滑盤動作步幅為N°（N自定義），使溫控閥滑盤在0°→θ→0°（θ為溫控閥滑盤最大轉(zhuǎn)動角度）的范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)動作一個來回，每動作一次滑盤，記錄溫控閥角位移傳感器的輸出電壓值，同一個滑盤角度對應(yīng)往復(fù)的電壓值的差值，即為進回程差。設(shè)置溫控閥滑盤動作步幅為1°，將步進電機的供電電壓調(diào)為A，設(shè)置溫控閥角位移傳感器允許最小增量為B，正方向動作溫控閥，每動作1°，就以一定間隔從A逐步降低步進電機的供電電壓，并計算出兩次動作之間角位移傳感器輸出的電壓增量，當(dāng)增量小于B時，步進電機上一次供電電壓即為丟步電壓；繼續(xù)降低步進電機的供電電壓，當(dāng)角位移傳感器的輸出值增量為零時，則步進電機上一次供電電壓即為啟動電壓。

溫控閥電性能測試時接線煩瑣，動作次數(shù)多，需要記錄的數(shù)據(jù)也多，占用了不少的時間和人工[4]。為提高溫控閥電性能測試的效率和準(zhǔn)確性，本文設(shè)計研發(fā)了溫控閥電性能測試設(shè)備。溫控閥電性能測試設(shè)備結(jié)構(gòu)簡潔，操作簡單、易懂，不僅能夠快速測試出溫控閥的進回程差、丟步電壓、啟動電壓等，還能自動生成數(shù)據(jù)報表，并長期保存數(shù)據(jù)。

1 設(shè)備的組成與功能

溫控閥電性能測試設(shè)備包括上位機和下位機，上位機與下位機采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計，具備自動測試和手動測試兩種測試模式，兩種模式可以切換使用且互不影響。當(dāng)切換到手動測試模式時，下位機可以與上位機分離，單獨工作。測試設(shè)備的上位機與下位機實物如圖2所示。

圖2 上位機與下位機實物圖

溫控閥電性能測試設(shè)備操作簡單，測試程序集成度高，可一鍵測出溫控閥的進回程差、丟步電壓、啟動電壓等信息，測試流程如圖3所示。該設(shè)備具有5路測試接口，能夠同時測試5臺產(chǎn)品的電性能，并同時實現(xiàn)5路數(shù)據(jù)的實時顯示、采集、存儲等功能。溫控閥電性能測試設(shè)備具有啟動自動校準(zhǔn)功能，能夠自動檢測溫控閥目前的角度并進行零位校準(zhǔn)，還具有異常報警功能。該設(shè)備具備長時間工作能力，可連續(xù)工作12 h。

圖3 測試程序流程圖

2 設(shè)備的具體設(shè)計

溫控閥電性能測試設(shè)備由上位機和下位機組成。其中，上位機為人機交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)存儲與查詢等功能，下位機包含供電部分、可編程電源板、控制板、通信電路、安全監(jiān)測等主要部分。上位機、可編程電源板、控制板之間基于CAN總線通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換與控制信號傳輸。設(shè)備的整體設(shè)計思路如圖4所示。

圖4 設(shè)備的整體設(shè)計框圖

2.1 下位機設(shè)計

2.1.1 供電部分

溫控閥電性能測試設(shè)備的供電對象主要包括溫控閥步進電機、溫控閥角位移傳感器、高速微控制器（MCU）、運放回路、LCD、散熱風(fēng)扇等部分，供電部分的整體設(shè)計框圖如圖5所示。其中，溫控閥步進電機的供電由可編程電源板調(diào)節(jié)電源提供，溫控閥角位移傳感器、MCU、運放回路、LCD的供電由多路輸出工頻變壓器經(jīng)整流濾波、線性穩(wěn)壓后提供，散熱風(fēng)扇直接使用220 V交流電。

圖5 供電部分整體框圖

2.1.2 可編程電源板

可編程電源板的主要功能為可編程電源設(shè)計、電源電壓和電流采集，并且與控制板、上位機進行控制命令和數(shù)據(jù)傳輸。

可編程電源板集成有高速微控制器（MCU），可以實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理與控制，它可以同時采集電源的電壓、電流以及溫度等信號，能夠?qū)崟r監(jiān)控主控板功率回路的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性?？删幊屉娫窗寤贑AN總線通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，使用USB-CAN卡與PC進行通信。

2.1.3 控制板

溫控閥電性能測試設(shè)備共含有五塊控制板，每塊控制板上均集成有高速微控制器（MCU）。控制板能夠驅(qū)動溫控閥的步進電機動作，同時采集溫控閥電機和角位移傳感器的工作電壓、電流等參數(shù)。控制板還集成有可編程電阻網(wǎng)絡(luò)、CAN通信接口和通信地址設(shè)置接口。

2.1.4 通信電路

由于溫控閥電性能測試采集頻率較高，并且測試設(shè)備的5路測試接口可以同時工作，通信數(shù)據(jù)大，因此，設(shè)備通信采用CAN總線通信，其最高通信速率可達1 Mb/s。溫控閥電性能測試設(shè)備的可編程電源板與從控板均設(shè)計有CAN通信回路，均選用高性能CAN芯片，具有較強的靜電抗擾能力。上位機和下位機使用USB-CAN卡實現(xiàn)通信。

2.1.5 安全監(jiān)測

溫控閥電性能測試設(shè)備設(shè)計有溫度監(jiān)測、電源模塊輸出電壓監(jiān)測和限流保護等安全措施。

可編程電源板配置有溫度檢測回路，采用熱敏電阻對可編程電源板上的主要功率回路（步進電機電源回路、角位移傳感器電源回路）進行溫度監(jiān)測，如果回路溫度過高，則設(shè)備將及時發(fā)出報警信息并切斷回路電源，提高了設(shè)備使用的可靠性。

電源模塊輸出電壓的穩(wěn)定性直接影響溫控閥步進電機和角位移傳感器供電的安全，如果供電異常，將可能損壞溫控閥中的電子元器件，因此對電源模塊輸出電壓進行實時監(jiān)控很有必要。一旦電源模塊輸出電壓出現(xiàn)異常，設(shè)備將立即切斷電源模塊供電回路，確保溫控閥的安全。

在設(shè)備的功率回路和驅(qū)動回路上采用了功率電阻和保險絲設(shè)計，能夠確保在控制器出現(xiàn)故障或超限的情況下實現(xiàn)限流保護。

2.2 上位機設(shè)計

上位機選用NI LabVIEW軟件進行編寫，軟件整體架構(gòu)采用生產(chǎn)者/消費者模式，可以同時實現(xiàn)多個VI之間或同一VI不同線程之間的同步任務(wù)和數(shù)據(jù)交換[5]。上位機界面主要包含參數(shù)配置界面、數(shù)據(jù)實時顯示界面和歷史數(shù)據(jù)界面等。

參數(shù)配置界面主要用于溫控閥信息的錄入、供電電壓的設(shè)置、步進頻率的設(shè)置、驅(qū)動方式的設(shè)置，以及測試模式的配置等。

數(shù)據(jù)實時顯示界面主要用于顯示溫控閥在測試過程中的電壓與電流、電機轉(zhuǎn)動方向、進回程差、啟動電壓、丟步電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)。界面上有CAN通信指示框可以顯示當(dāng)前的通信狀態(tài)與通信速率，并且測試設(shè)備內(nèi)部配置有可調(diào)開關(guān)電源，經(jīng)過可調(diào)開關(guān)電源可以對溫控閥步進電機與傳感器的供電電壓進行調(diào)節(jié)，電壓值在界面上實時顯示，從而可以判斷溫控閥當(dāng)前的運行狀態(tài)。

歷史數(shù)據(jù)界面主要用于查詢溫控閥電性能測試數(shù)據(jù)。軟件運行后，當(dāng)用戶確定配置，軟件會自動創(chuàng)建記錄文件。開始試驗后，數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的記錄周期進行記錄，同時，設(shè)置的產(chǎn)品基本信息也將被記錄在表格中。歷史數(shù)據(jù)的保存有利于測試數(shù)據(jù)的分析和再次利用。

2.3 測試模式

溫控閥電性能測試設(shè)備的測試模式分為自動測試模式和手動測試模式兩種。

自動測試模式需提前在測試設(shè)備上設(shè)置溫控閥步進電機與角位移傳感器的供電電壓、步進頻率、驅(qū)動方式、步進方向、步進角度等參數(shù)，將這些參數(shù)保存在測試設(shè)備中，并進行命名，之后再次測試同種溫控閥的電性能時，在菜單中選中該名稱即可。自動測試模式方便、快捷，具有很高的工作效率，測試時間約為手動測試的1/10，很大程度上縮短了溫控閥的測試時間，為產(chǎn)品的保證交付提供了保障。

手動測試模式不需要連接上位機，使用下位機上的開關(guān)按鈕即可控制溫控閥動作。在手動測試模式下，也需要提前輸入溫控閥的各項參數(shù)，但參數(shù)不能保存在測試設(shè)備中，在關(guān)機重啟后需要重新設(shè)置溫控閥參數(shù)。手動測試模式適用于調(diào)整溫控閥的開關(guān)角度和測試溫控閥的單一電性能。

3 設(shè)備的性能驗證

溫控閥電性能測試設(shè)備研發(fā)完成后，操作人員對其性能進行了驗證。首先進行了供電電壓精度和采集輸出精度的驗證。通過上位機軟件，設(shè)定溫控閥電性能測試設(shè)備輸出不同的電壓值，使用標(biāo)定后的萬用表測量溫控閥電性能測試設(shè)備輸出的電壓，萬用表測量結(jié)果如表1所示。設(shè)定直流電源輸出不同的電壓值，使用溫控閥電性能測試設(shè)備采集直流電源輸出的電壓，采集顯示結(jié)果如表2所示。

表1 設(shè)備輸出電壓精度驗證表

表2 設(shè)備采集輸出精度驗證表

通過表1和表2可以看出，溫控閥電性能測試設(shè)備的供電電壓精度和采集輸出精度均符合產(chǎn)品電性能測試要求。

然后使用溫控閥電性能測試設(shè)備分別自動測試和手動測試同一溫控閥的電性能，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同測試模式下測試結(jié)果對比表 單位：V

從表3可以看出，自動測試和手動測試都能很好地測試出溫控閥的電性能，且運行良好，滿足溫控閥電性能測試需求。

溫控閥電性能測試設(shè)備擁有5路相互獨立的測試通道，需要對5路測試通道的測試性能分別進行驗證。依次選擇設(shè)備的1至5通道對同一溫控閥進行最大進回程差、丟步電壓、啟動電壓測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 設(shè)備5路通道測試結(jié)果驗證表 單位：V

從表4可以看出，5路通道測試出的溫控閥的電性能數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

4 設(shè)備的應(yīng)用

溫控閥電性能測試設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用到溫控閥電性能的測試中。選擇測試設(shè)備的自動測試模式，在如圖6所示的試驗配置界面上輸入溫控閥的名稱、電機供電電壓、角位移傳感器供電電壓、驅(qū)動方式、步進方向等參數(shù)。

圖6 自動測試模式參數(shù)配置界面

確定參數(shù)后，將溫控閥連接到測試設(shè)備上，點擊“開始測試”按鈕，溫控閥開始動作。溫控閥動作停止后，數(shù)據(jù)界面將會顯示出溫控閥的進回程差、丟步電壓、啟動電壓等信息。自動測試模式方便、快捷，將溫控閥電性能的測試時間縮短為原來的1/10。目前，多個種類的溫控閥都已應(yīng)用此設(shè)備進行電性能測試，很大程度上提高了測試效率。

使用手動測試模式測試溫控閥的電性能，在下位機的觸摸屏上設(shè)置試驗參數(shù)，參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示。其中“幫助”按鈕可以查看設(shè)置參數(shù)的提示信息，如步進方向、步進節(jié)拍、步進脈沖數(shù)等。

圖7 手動測試模式參數(shù)配置界面

點擊下位機上的開關(guān)按鈕可以使得溫控閥動作，將溫控閥動作時的電壓逐一記下，然后，通過計算可以得出溫控閥的進回程差、丟步電壓、啟動電壓等信息。手動測試模式的應(yīng)用，豐富了測試設(shè)備的應(yīng)用形式，和自動測試模式相輔相成。

5 結(jié)束語

溫控閥電性能測試設(shè)備能夠快速測試出溫控閥的進回程差、丟步電壓、啟動電壓等電性能參數(shù)，該設(shè)備具備自動測試模式，將產(chǎn)品電性能的測試時間縮短到了原來的1/10，不僅節(jié)省了測試時間，也提高了測試數(shù)據(jù)的可靠性、一致性。該設(shè)備的各通道相互獨立工作，可同時測試多臺溫控閥，也方便進行故障定位與檢修[6]。溫控閥電性能測試設(shè)備很大程度上縮短了溫控閥的電性能測試的時間，為航天任務(wù)的圓滿成功奠定了基礎(chǔ)。