張 軍 朱仰招

（北京航天動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)流入主路和旁路的流量分配，從而達(dá)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(jìn)電機(jī)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在控制設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下，溫控閥的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，并帶動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)主路、旁路的流量調(diào)節(jié)。溫控閥的閥門開(kāi)度通過(guò)角位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和顯示。當(dāng)熱控系統(tǒng)的溫度偏高時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)驅(qū)動(dòng)溫控閥的步進(jìn)電機(jī)工作，帶動(dòng)滑盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使溫控閥的主路開(kāi)大（流量增加），旁路關(guān)?。髁繙p?。瑥亩沟脽峥叵到y(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(yàn)階段，必須通過(guò)各種試驗(yàn)考核才能投入使用，其中一項(xiàng)考核為電性能測(cè)試，主要包括進(jìn)回程差、丟步電壓、啟動(dòng)電壓等測(cè)試[3]。電性能測(cè)試原理為：設(shè)置溫控閥滑盤動(dòng)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(dòng)角度）的范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)動(dòng)作一個(gè)來(lái)回，每動(dòng)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(gè)滑盤角度對(duì)應(yīng)往復(fù)的電壓值的差值，即為進(jìn)回程差。設(shè)置溫控閥滑盤動(dòng)作步幅為1°，將步進(jìn)電機(jī)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(dòng)作溫控閥，每動(dòng)作1°，就以一定間隔從A逐步降低步進(jìn)電機(jī)的供電電壓，并計(jì)算出兩次動(dòng)作之間角位移傳感器輸出的電壓增量，當(dāng)增量小于B時(shí)，步進(jìn)電機(jī)上一次供電電壓即為丟步電壓；繼續(xù)降低步進(jìn)電機(jī)的供電電壓，當(dāng)角位移傳感器的輸出值增量為零時(shí)，則步進(jìn)電機(jī)上一次供電電壓即為啟動(dòng)電壓。

溫控閥電性能測(cè)試時(shí)接線煩瑣，動(dòng)作次數(shù)多，需要記錄的數(shù)據(jù)也多，占用了不少的時(shí)間和人工[4]。為提高溫控閥電性能測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備。溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單、易懂，不僅能夠快速測(cè)試出溫控閥的進(jìn)回程差、丟步電壓、啟動(dòng)電壓等，還能自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，并長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。

1 設(shè)備的組成與功能

溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備包括上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試兩種測(cè)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(dòng)測(cè)試模式時(shí)，下位機(jī)可以與上位機(jī)分離，單獨(dú)工作。測(cè)試設(shè)備的上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)物如圖2所示。

圖2 上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)物圖

溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備操作簡(jiǎn)單，測(cè)試程序集成度高，可一鍵測(cè)出溫控閥的進(jìn)回程差、丟步電壓、啟動(dòng)電壓等信息，測(cè)試流程如圖3所示。該設(shè)備具有5路測(cè)試接口，能夠同時(shí)測(cè)試5臺(tái)產(chǎn)品的電性能，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)5路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、采集、存儲(chǔ)等功能。溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備具有啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)功能，能夠自動(dòng)檢測(cè)溫控閥目前的角度并進(jìn)行零位校準(zhǔn)，還具有異常報(bào)警功能。該設(shè)備具備長(zhǎng)時(shí)間工作能力，可連續(xù)工作12 h。

圖3 測(cè)試程序流程圖

2 設(shè)備的具體設(shè)計(jì)

溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備由上位機(jī)和下位機(jī)組成。其中，上位機(jī)為人機(jī)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(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢等功能，下位機(jī)包含供電部分、可編程電源板、控制板、通信電路、安全監(jiān)測(cè)等主要部分。上位機(jī)、可編程電源板、控制板之間基于CAN總線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與控制信號(hào)傳輸。設(shè)備的整體設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

圖4 設(shè)備的整體設(shè)計(jì)框圖

2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1.1 供電部分

溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備的供電對(duì)象主要包括溫控閥步進(jìn)電機(jī)、溫控閥角位移傳感器、高速微控制器（MCU）、運(yùn)放回路、LCD、散熱風(fēng)扇等部分，供電部分的整體設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。其中，溫控閥步進(jìn)電機(jī)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(yùn)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(jì)、電源電壓和電流采集，并且與控制板、上位機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理與控制，它可以同時(shí)采集電源的電壓、電流以及溫度等信號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控主控板功率回路的運(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用USB-CAN卡與PC進(jìn)行通信。

2.1.3 控制板

溫控閥電性能測(cè)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）?？刂瓢迥軌蝌?qū)動(dòng)溫控閥的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，同時(shí)采集溫控閥電機(jī)和角位移傳感器的工作電壓、電流等參數(shù)?？刂瓢暹€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(cè)試采集頻率較高，并且測(cè)試設(shè)備的5路測(cè)試接口可以同時(shí)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(dá)1 Mb/s。溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備的可編程電源板與從控板均設(shè)計(jì)有CAN通信回路，均選用高性能CAN芯片，具有較強(qiáng)的靜電抗擾能力。上位機(jī)和下位機(jī)使用USB-CAN卡實(shí)現(xiàn)通信。

2.1.5 安全監(jiān)測(cè)

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

可編程電源板配置有溫度檢測(cè)回路，采用熱敏電阻對(duì)可編程電源板上的主要功率回路（步進(jìn)電機(jī)電源回路、角位移傳感器電源回路）進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，如果回路溫度過(guò)高，則設(shè)備將及時(shí)發(fā)出報(bào)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(jìn)電機(jī)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(duì)電源模塊輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)回路上采用了功率電阻和保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)，能夠確保在控制器出現(xiàn)故障或超限的情況下實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)。

2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用NI LabVIEW軟件進(jìn)行編寫(xiě)，軟件整體架構(gòu)采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(jī)界面主要包含參數(shù)配置界面、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(jìn)頻率的設(shè)置、驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)置，以及測(cè)試模式的配置等。

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面主要用于顯示溫控閥在測(cè)試過(guò)程中的電壓與電流、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、進(jìn)回程差、啟動(dòng)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(cè)試設(shè)備內(nèi)部配置有可調(diào)開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)可調(diào)開(kāi)關(guān)電源可以對(duì)溫控閥步進(jìn)電機(jī)與傳感器的供電電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，電壓值在界面上實(shí)時(shí)顯示，從而可以判斷溫控閥當(dāng)前的運(yùn)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(cè)試數(shù)據(jù)。軟件運(yùn)行后，當(dāng)用戶確定配置，軟件會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建記錄文件。開(kāi)始試驗(yàn)后，數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的記錄周期進(jìn)行記錄，同時(shí)，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(cè)試數(shù)據(jù)的分析和再次利用。

2.3 測(cè)試模式

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

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

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

3 設(shè)備的性能驗(yàn)證

溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備研發(fā)完成后，操作人員對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。首先進(jìn)行了供電電壓精度和采集輸出精度的驗(yàn)證。通過(guò)上位機(jī)軟件，設(shè)定溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備輸出不同的電壓值，使用標(biāo)定后的萬(wàn)用表測(cè)量溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備輸出的電壓，萬(wàn)用表測(cè)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(cè)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(yàn)證表

表2 設(shè)備采集輸出精度驗(yàn)證表

通過(guò)表1和表2可以看出，溫控閥電性能測(cè)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(cè)試要求。

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

表3 不同測(cè)試模式下測(cè)試結(jié)果對(duì)比表 單位：V

從表3可以看出，自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試都能很好地測(cè)試出溫控閥的電性能，且運(yùn)行良好，滿足溫控閥電性能測(cè)試需求。

溫控閥電性能測(cè)試設(shè)備擁有5路相互獨(dú)立的測(cè)試通道，需要對(duì)5路測(cè)試通道的測(cè)試性能分別進(jìn)行驗(yàn)證。依次選擇設(shè)備的1至5通道對(duì)同一溫控閥進(jìn)行最大進(jìn)回程差、丟步電壓、啟動(dòng)電壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 設(shè)備5路通道測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證表 單位：V

從表4可以看出，5路通道測(cè)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(cè)試設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用到溫控閥電性能的測(cè)試中。選擇測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試模式，在如圖6所示的試驗(yàn)配置界面上輸入溫控閥的名稱、電機(jī)供電電壓、角位移傳感器供電電壓、驅(qū)動(dòng)方式、步進(jìn)方向等參數(shù)。

圖6 自動(dòng)測(cè)試模式參數(shù)配置界面

確定參數(shù)后，將溫控閥連接到測(cè)試設(shè)備上，點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”按鈕，溫控閥開(kāi)始動(dòng)作。溫控閥動(dòng)作停止后，數(shù)據(jù)界面將會(huì)顯示出溫控閥的進(jìn)回程差、丟步電壓、啟動(dòng)電壓等信息。自動(dòng)測(cè)試模式方便、快捷，將溫控閥電性能的測(cè)試時(shí)間縮短為原來(lái)的1/10。目前，多個(gè)種類的溫控閥都已應(yīng)用此設(shè)備進(jìn)行電性能測(cè)試，很大程度上提高了測(cè)試效率。

使用手動(dòng)測(cè)試模式測(cè)試溫控閥的電性能，在下位機(jī)的觸摸屏上設(shè)置試驗(yàn)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(jìn)方向、步進(jìn)節(jié)拍、步進(jìn)脈沖數(shù)等。

圖7 手動(dòng)測(cè)試模式參數(shù)配置界面

點(diǎn)擊下位機(jī)上的開(kāi)關(guān)按鈕可以使得溫控閥動(dòng)作，將溫控閥動(dòng)作時(shí)的電壓逐一記下，然后，通過(guò)計(jì)算可以得出溫控閥的進(jìn)回程差、丟步電壓、啟動(dòng)電壓等信息。手動(dòng)測(cè)試模式的應(yīng)用，豐富了測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用形式，和自動(dòng)測(cè)試模式相輔相成。

5 結(jié)束語(yǔ)

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