RU152583U1

RU152583U1 - HEAT FLOW SIMULATOR POWER REGULATOR FOR SPACE TESTS TESTS

Info

Publication number: RU152583U1
Application number: RU2014145334/08U
Authority: RU
Inventors: Вадим Николаевич Мишин; Юрий Александрович Андреев; Сергей Юрьевич Буров
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2015-06-10

Abstract

Регулятор электрической мощности имитатора теплового потока для испытаний космических аппаратов, содержащий источник переменного тока, соединенный с нагревательным элементом через ключевой регулятор на управляемых вентилях, контроллер управления драйверами ключевого регулятора по результату сравнения сигнала мощности с задающим сигналом, датчики сигналов, пропорциональных току и напряжению нагревательного элемента, выходы которых соединены с перемножителем для вычисления сигнала мощности, выполненным на микросхеме, указанный перемножитель через последовательно соединенные фильтр и первый аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом контроллера, связанного со схемой синхронизации с фазой источника переменного тока и включающего в себя широтно-импульсный модулятор, отличающийся тем, что указанный контроллер запрограммирован для выдачи необходимых уставок мощности в соответствии с программой испытаний, а в регулятор электрической мощности имитатора введена обратная связь с выхода перемножителя, образованная ключом, связанным через последовательно соединенные усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь со вторым входом контроллера, при этом указанный ключ управляется контроллером для срабатывания его в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора, кроме того, контроллер содержит программу поиска и поддержки минимального значения мощности в указанные моменты и своим выходом через цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель соединен с входом подстройки нуля микросхемы перемножителя.The electric power regulator of the heat flux simulator for testing spacecraft, containing an AC source connected to the heating element through a key regulator on controlled valves, a driver controller for controlling the key regulator drivers by comparing the power signal with the reference signal, signal sensors proportional to the current and voltage of the heating element the outputs of which are connected to a multiplier for calculating a power signal made on a chip, the specified ne the multiplier through a series-connected filter and the first analog-to-digital converter is connected to the first input of the controller associated with the synchronization circuit with the phase of the AC source and including a pulse-width modulator, characterized in that the controller is programmed to provide the necessary power settings in accordance with test program, and feedback from the output of the multiplier formed by a key connected through the the amplifier and the second analog-to-digital converter are connected to the second input of the controller, the specified key is controlled by the controller to activate it when the valves of the key controller are closed, in addition, the controller contains a program to search and maintain the minimum power value at the specified moments and through its output through a digital-to-analog converter and a second amplifier are connected to the zero trim input of the multiplier chip.

Description

Полезная модель относится к испытательной технике, в частности, к проведению тепловакуумных испытаний космических объектов, и может найти применение в областях техники, где предъявляются повышенные требования к надежности изделий при их эксплуатации.The utility model relates to test equipment, in particular, to conduct thermal vacuum tests of space objects, and can find application in areas of technology where high demands are placed on the reliability of products during their operation.

Имитатор теплового потока выполняется в виде блока подвода мощности от трехфазной сети переменного тока к множеству (до 40) нагревательным элементам, каждый из которых представляет собой активную постоянную нагрузку, с регулированием и стабилизацией мощности по каждому каналу (на каждом элементе). При этом относительная погрешность точности поддержания мощности на каждом элементе не должна превышать 0,1% от заданного значения. Для этого к каждому нагревательному элементу мощность подводится посредством своего регулятора мощности, где каждый регулятор должен формировать и стабилизировать мощность на соответствующем нагревательном элементе по уставке блока управления (контроллера).The heat flux simulator is implemented as a power supply unit from a three-phase alternating current network to many (up to 40) heating elements, each of which is an active constant load, with power regulation and stabilization for each channel (on each element). In this case, the relative error in the accuracy of maintaining power on each element should not exceed 0.1% of the specified value. To do this, power is supplied to each heating element through its own power regulator, where each regulator must generate and stabilize power on the corresponding heating element according to the setting of the control unit (controller).

Самый эффективный из всех из всех способов регулирования температурного режима - импульсное регулирование с использованием ключевых, тиристорных или симисторных регуляторов. Принцип работы регулятора основан на изменении момента включения тиристора или симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль (начала положительной или отрицательной полуволны питающего напряжения). Путем импульсного регулирования можно получить плавное регулирование мощности в широких пределах без дополнительных потерь, обеспечивая соответствие заданной и подводимой из сети мощностей, используя непрерывные методы регулирования -пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный. В соответствии с этими методами для каждого момента времени должно выполняться соответствие заданной мощности и мощности, выделяемой на нагревательном элементе.The most effective of all the methods of temperature control is pulse control using key, thyristor or triac regulators. The principle of operation of the regulator is based on a change in the moment the thyristor or triac is turned on with respect to the transition of the mains voltage through zero (the beginning of the positive or negative half-wave of the supply voltage). By means of pulse regulation, it is possible to obtain smooth control of power over a wide range without additional losses, ensuring compliance with the set and supplied capacities from the network, using continuous control methods — proportional, integral, proportionally integral. In accordance with these methods, for each moment of time, the correspondence of the given power and the power allocated to the heating element must be performed.

Известны регуляторы мощности, основанные на этих методах, в которых определение мощности, выделяемой на нагрузке, определяется с помощью схемы перемножителя, на входы которой подаются сигналы, пропорциональные мгновенному напряжению на нагрузке и мгновенному току в нагрузке.Power regulators based on these methods are known, in which the determination of the power allocated to the load is determined using a multiplier circuit, the inputs of which are supplied with signals proportional to the instantaneous voltage on the load and the instantaneous current in the load.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для регулирования мощности, управляющей температурой по патенту EP №0244268. В этом устройстве сигнал, пропорциональный мгновенной мощности формируется с помощью схемы перемножителя, на входы которой подают сигналы, пропорциональные току и напряжению в нагрузке. Схема умножения преобразует их произведение в сигнал эквивалентной мощности, который затем сравнивается с сигналом мощности уставки, а их разница управляет фазой зажигания управляемых вентилей. Устройство для регулирования мощности по патенту ЕР №0244268 содержит источник переменного тока, ключевой регулятор на управляемых вентилях, схему сравнения сигнала мощности с задающим сигналом и микроконтроллер, управляющий ключевым регулятором по результату сравнения, связанный со схемой синхронизации с фазой источника переменного тока, датчики измерения сигналов, пропорциональных току и напряжению нагрузки, выходы которых соединены со схемой умножения, которая через последовательно соединенные фильтр, схему сравнения и микроконтроллер, связана со схемой запуска вентилей ключевого регулятора.Closest to the claimed utility model is a device for regulating power, controlling the temperature according to patent EP No. 0244268. In this device, a signal proportional to the instantaneous power is generated using a multiplier circuit, the inputs of which supply signals proportional to the current and voltage in the load. The multiplication circuit converts their product into an equivalent power signal, which is then compared with the setpoint power signal, and their difference controls the ignition phase of the controlled valves. The power control device according to EP patent No. 0244268 contains an AC source, a key regulator on controlled gates, a circuit for comparing a power signal with a reference signal and a microcontroller that controls the key regulator according to the result of the comparison, associated with the synchronization circuit with the phase of the AC source, signal measurement sensors proportional to the current and voltage of the load, the outputs of which are connected to a multiplication circuit, which through a series-connected filter, a comparison circuit and a microcontrol Ller, is connected with the key regulator valve start circuit.

Задачей полезной модели является существенное повышение точности поддержания мощности на нагревательном элементе - нагрузке за счет компенсации температурного и временного дрейфа на микросхеме, применяемой для формирования сигнала, пропорционального мощности, выделяемой на нагрузке. Кроме того задачей полезной модели является совмещение функций управления, задания мощности и сравнения в одном котроллере, путем соответствующего программирования.The objective of the utility model is to significantly increase the accuracy of maintaining power on the heating element - the load by compensating for temperature and time drift on the microcircuit used to generate a signal proportional to the power allocated to the load. In addition, the purpose of the utility model is to combine the control functions, set the power and comparison in one controller, by appropriate programming.

Поставленная задача решается тем, что регулятор электрической мощности имитатора теплового потока, так же как и прототип, содержит источник переменного тока, соединенный с нагревательным элементом через ключевой регулятор на управляемых вентилях, контроллер управления драйверами ключевого регулятора по результату сравнения сигнала мощности с задающим сигналом, датчики сигналов, пропорциональных току и напряжению нагревательного элемента, выходы которых соединены с перемножителем для вычисления сигнала, пропорционального мощности, выполненным на микросхеме, а перемножитель через фильтр соединен с первым входом контроллера, связанного со схемой синхронизации с фазой источника переменного тока и включающего в себя широтно-импульсный модулятор. В отличие от прототипа, указанный контроллер запрограммирован для выдачи необходимых уставок мощности в соответствии с программой испытаний, а для компенсации температурного и временного дрейфа микросхемы перемножителя, в регулятор электрической мощности введена обратная связь с выхода перемножителя, образованная ключом, связанным через последовательно соединенные усилитель и первый аналого-цифровой преобразователь, со вторым входом котроллера, при этом указанный ключ управляется контроллером для срабатывания его в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора, кроме того, указанный контроллер содержит программу поиска и поддержки минимального значения мощности в указанные моменты, и своим выходом, через цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель, соединен с входом подстройки нуля микросхемы перемножителя.The problem is solved in that the electric power regulator of the heat flux simulator, like the prototype, contains an AC source connected to the heating element through a key regulator on controlled valves, a driver controller for controlling the key regulator drivers by comparing the power signal with the reference signal, sensors signals proportional to the current and voltage of the heating element, the outputs of which are connected to the multiplier to calculate the signal proportional to the power, made on the chip, and the multiplier through the filter is connected to the first input of the controller associated with the synchronization circuit with the phase of the AC source and includes a pulse-width modulator. Unlike the prototype, the specified controller is programmed to provide the required power settings in accordance with the test program, and to compensate for the temperature and time drift of the multiplier chip, feedback from the multiplier output is introduced into the electric power regulator, formed by a key connected through an amplifier and the first one connected in series analog-to-digital converter, with the second input of the controller, while the specified key is controlled by the controller to trigger it in moments closed the state of the valves of the key controller, in addition, the specified controller contains a program for searching and maintaining the minimum power value at the indicated times, and with its output, through a digital-to-analog converter and a second amplifier, is connected to the zero adjustment input of the multiplier chip.

Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором представлена блок-схема регулятора электрической мощности имитатора теплового потока.Further, the essence of the utility model is explained using the figure, which shows a block diagram of the electric power controller of the heat flow simulator.

Регулятор мощности на нагрузке 1, подключаемой к источнику переменного тока коммутатором 2, содержит ключевой регулятор 3 на управляемых вентилях, например, тиристорах, либо симисторе. Через делитель напряжения, образованный сопротивлениями 4 и 5 со средней точкой 6, подается на вход U микросхемы перемножителя 7 сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения на нагрузке 1, на вход I этой микросхемы подается сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока нагрузки 1 с датчика тока 8. Выход перемножителя 7 через фильтр 9 и аналого-цифровой преобразователь 10 соединен с одним входом контроллера 11, включающего в себя программно реализованную схему сравнения сигнала, пропорционального вычисленной мощности с задающим сигналом мощности. Контроллер 11 также имеет в своем составе широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен со схемой запуска 12 вентилей ключевого регулятора 3. Контроллер 11 соединен со схемой синхронизации фазы 13, используемой для синхронизации контроллера 11 с фазой питающего переменного напряжения. Кроме того, на выходе схемы перемножителя установлен ключ 14, замыкаемый контроллером 11 в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора 3. Ключ 14 через последовательно соединенные усилитель 15 и второй аналого-цифровой преобразователь 16 соединен с другим входом контроллера 11, в котором программно реализована функция поиска и сравнения минимального уровня тока в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора с действующим значением тока. Выход контроллера 11 через цифро-аналоговый преобразователь 17 и усилитель 18 соединен со входом Z подстройки нуля микросхемы перемножителя 7.The power controller at load 1, connected to the AC source by switch 2, contains a key controller 3 on controlled valves, for example, thyristors, or a triac. Through a voltage divider formed by resistances 4 and 5 with a midpoint 6, a signal proportional to the instantaneous value of the voltage at load 1 is fed to the input U of the multiplier 7 microcircuit, a signal proportional to the instantaneous value of the load current 1 from the current sensor 8 is supplied to the input I of this microcircuit. The output of the multiplier 7 through the filter 9 and the analog-to-digital converter 10 is connected to one input of the controller 11, which includes a software-implemented circuit for comparing a signal proportional to the calculated power with m power signal. The controller 11 also includes a pulse-width modulator, the output of which is connected to the triggering circuit 12 of the valves of the key regulator 3. The controller 11 is connected to the phase 13 synchronization circuit used to synchronize the controller 11 with the phase of the supply AC voltage. In addition, at the output of the multiplier circuit, a key 14 is installed, closed by the controller 11 at the moments of the closed state of the valves of the key regulator 3. The key 14 is connected through a series-connected amplifier 15 and the second analog-to-digital converter 16 to another input of the controller 11, in which the search function is implemented in software and comparing the minimum current level at the moments of the closed state of the valves of the key controller with the current value of the current. The output of the controller 11 through the digital-to-analog converter 17 and the amplifier 18 is connected to the input Z of the zero trim of the multiplier chip 7.

В этом устройстве по программе контроллера 11 задается необходимый уровень мощности в соответствии с программой испытаний. Сигнал, пропорциональный напряжению на нагрузке 1, с точки 6, и сигнал, пропорциональный току нагрузки 1, с датчика тока 8 подаются на схему перемножителя 7, выполненную на микросхеме, например, AD734, которая преобразует их произведение в значение мощности, и этот сигнал, эквивалентный мощности в нагревательном устройстве 1 через фильтр 9 и аналого-цифровой преобразователь 10 подается к контроллеру 11, где сравнивается с необходимым уровнем мощности (уставкой) P_уст, задаваемой контроллером 11 в соответствии с программой испытаний. С помощью результата сравнения регулируется фаза или момент включения тиристорной схемы или симистора ключевого регулятора 3. Регулирование происходит в каждой половине цикла. Схема синхронизации фазы 13 используется для синхронизации контроллера 11 с питающим переменным напряжением. Эта синхронизирующая схема производит импульс каждый раз, когда происходит пересечение нуля синусоидой питающего сетевого напряжения. Контроллер 11 использует эти сигналы в качестве начальных точек для смещения момента включения тиристора на величину, определяемую результатом сравнения реальной мощности и уставки P_уст. Несмотря на то, что микросхема 7 выбрана с минимальным смещением нуля, однако может вносить погрешность в измеренную мощность из-за температурного или временного ухода.In this device, according to the program of the controller 11, the required power level is set in accordance with the test program. The signal proportional to the voltage at load 1, from point 6, and the signal proportional to the load current 1, from the current sensor 8 are fed to the multiplier circuit 7, made on a chip, for example, AD734, which converts their product into a power value, and this signal, equivalent power in the heating device 1 through the filter 9 and the analog-to-digital converter 10 is supplied to the controller 11, where it is compared with the required power level (setting) P _mouth set by the controller 11 in accordance with the test program. Using the result of the comparison, the phase or time of switching on the thyristor circuit or triac of the key regulator 3 is regulated. Regulation occurs in each half of the cycle. The phase 13 synchronization circuit is used to synchronize the controller 11 with the supply alternating voltage. This clock circuit produces a pulse every time a zero crossing by a sine wave of the supply voltage occurs. The controller 11 uses these signals as starting points to bias the moment the thyristor is turned on by an amount determined by comparing the real power and the setpoint _Pset . Despite the fact that the chip 7 is selected with a minimum zero offset, however, it may introduce an error in the measured power due to temperature or temporary departure.

Для компенсации этого ухода в устройстве регулирования мощности, подводимой к нагревательному элементу, введена дополнительная обратная связь с выхода перемножителя 7. В моменты замкнутого состояния ключа 14, который под управлением контроллера 11, срабатывает в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора 3, когда ток в цепи должен быть минимальным, а в идеальном случае, равным нулю, сигнал, пропорциональный току на выходе перемножителя 7, после усиления усилителем 15 и преобразования аналого-цифровым преобразователем 16, подается в контроллер 11, где на основании последовательности таких измерений производится поиск и поддержка минимального значения мощности посредством управления входом подстройки нуля перемножителя 7 через цифро-аналоговый преобразователь 17 и усилитель 18. Таким образом, происходит компенсация температурного и временного дрейфа микросхемы перемножителя. При таком способе подстройки-регулирования схемой перемножителя, достигается требуемая относительная погрешность точности поддержания мощности на нагрузке, не превышающая 0,1% от заданного значения. Схема устройства реализована с использованием аналогового перемножителя AD734 и микроконтроллера LPC1756. В качестве аналого-цифровых преобразователей и цифроаналоговых преобразователей используются внешние микросхемы AD7683 и AD5541, соответственно, для достижения заданной точности регулятора мощности.To compensate for this departure, additional feedback from the output of the multiplier 7 is introduced in the power control device supplied to the heating element 7. At the moments of the closed state of the key 14, which is under the control of the controller 11, it is triggered at the moments of the closed state of the valves of the key controller 3, when the current in the circuit should be minimal, and in the ideal case equal to zero, the signal proportional to the current at the output of the multiplier 7, after amplification by the amplifier 15 and conversion by an analog-to-digital converter 16, tsya to the controller 11, where, based on a sequence of such measurements and searches for the minimum value of support power by adjusting the zero control input of multiplier 7 via the digital-to-analog converter 17 and amplifier 18. Thus, there is a compensation of the temperature and temporal drift of the multiplier circuit. With this method of tuning-regulation by the multiplier circuit, the required relative error in the accuracy of maintaining power at the load is achieved, not exceeding 0.1% of the specified value. The device circuit is implemented using the AD734 analog multiplier and the LPC1756 microcontroller. As analog-to-digital converters and digital-to-analog converters, external AD7683 and AD5541 microcircuits are used, respectively, to achieve the specified accuracy of the power regulator.

Claims

The electric power regulator of the heat flux simulator for testing spacecraft, containing an AC source connected to the heating element through a key regulator on controlled valves, a driver controller for controlling the key regulator drivers by comparing the power signal with the reference signal, signal sensors proportional to the current and voltage of the heating element the outputs of which are connected to a multiplier for calculating a power signal made on a chip, the specified ne the multiplier through a series-connected filter and the first analog-to-digital converter is connected to the first input of the controller associated with the synchronization circuit with the phase of the AC source and including a pulse-width modulator, characterized in that the controller is programmed to provide the necessary power settings in accordance with test program, and feedback from the output of the multiplier, formed by a key connected through the the amplifier and the second analog-to-digital converter are connected to the second input of the controller, the specified key is controlled by the controller to activate it when the valves of the key controller are closed, in addition, the controller contains a program to search and maintain the minimum power value at the specified moments and through its output through a digital-to-analog converter and a second amplifier are connected to the zero trim input of the multiplier chip.