溫控閥電性能測試設備的研究與應用

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節的執行設備。它通過調節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鍵產品[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，結構如圖1所示。在控制設備的驅動下，溫控閥的步進電機動作，并帶動閥芯轉動，可實現主路、旁路的流量調節。溫控閥的閥門開度通過角位移傳感器進行監測和顯示。當熱控系統的溫度偏高時，控制系統將會驅動溫控閥的步進電機工作，帶動滑盤轉動，使溫控閥的主路開大（流量增加），旁路關小（流量減小），從而使得熱控系統的溫度下降[2]；反之亦然。

圖1 溫控閥結構圖

溫控閥在生產試驗階段，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動角度）的范圍內連續往復動作一個來回，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往復的電壓值的差值，即為進回程差。設置溫控閥滑盤動作步幅為1°，將步進電機的供電電壓調為A，設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；繼續降低步進電機的供電電壓，當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，動作次數多，需要記錄的數據也多，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確性，本文設計研發了溫控閥電性能測試設備。溫控閥電性能測試設備結構簡潔，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，還能自動生成數據報表，并長期保存數據。

1 設備的組成與功能

溫控閥電性能測試設備包括上位機和下位機，上位機與下位機采用分體結構設計，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。該設備具有5路測試接口，能夠同時測試5臺產品的電性能，并同時實現5路數據的實時顯示、采集、存儲等功能。溫控閥電性能測試設備具有啟動自動校準功能，能夠自動檢測溫控閥目前的角度并進行零位校準，還具有異常報警功能。該設備具備長時間工作能力，可連續工作12 h。

圖3 測試程序流程圖

2 設備的具體設計

溫控閥電性能測試設備由上位機和下位機組成。其中，上位機為人機交互界面，能夠實現參數配置、數據處理、數據實時顯示、數據存儲與查詢等功能，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總線通信協議進行數據交換與控制信號傳輸。設備的整體設計思路如圖4所示。

圖4 設備的整體設計框圖

2.1 下位機設計

2.1.1 供電部分

溫控閥電性能測試設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、散熱風扇等部分，供電部分的整體設計框圖如圖5所示。其中，溫控閥步進電機的供電由可編程電源板調節電源提供，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整流濾波、線性穩壓后提供，散熱風扇直接使用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據傳輸。

可編程電源板集成有高速微控制器（MCU），可以實現相關數據的采集、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，能夠實時監控主控板功率回路的運行狀態，提高系統的可靠性。可編程電源板基于CAN總線通信協議進行數據交換，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。控制板還集成有可編程電阻網絡、CAN通信接口和通信地址設置接口。

2.1.4 通信電路

由于溫控閥電性能測試采集頻率較高，并且測試設備的5路測試接口可以同時工作，通信數據大，因此，設備通信采用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備的可編程電源板與從控板均設計有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卡實現通信。

2.1.5 安全監測

溫控閥電性能測試設備設計有溫度監測、電源模塊輸出電壓監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）進行溫度監測，如果回路溫度過高，則設備將及時發出報警信息并切斷回路電源，提高了設備使用的可靠性。

電源模塊輸出電壓的穩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控很有必要。一旦電源模塊輸出電壓出現異常，設備將立即切斷電源模塊供電回路，確保溫控閥的安全。

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

2.2 上位機設計

上位機選用NI LabVIEW軟件進行編寫，軟件整體架構采用生產者/消費者模式，可以同時實現多個VI之間或同一VI不同線程之間的同步任務和數據交換[5]。上位機界面主要包含參數配置界面、數據實時顯示界面和歷史數據界面等。

參數配置界面主要用于溫控閥信息的錄入、供電電壓的設置、步進頻率的設置、驅動方式的設置，以及測試模式的配置等。

數據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、電機轉動方向、進回程差、啟動電壓、丟步電壓等相關數據。界面上有CAN通信指示框可以顯示當前的通信狀態與通信速率，并且測試設備內部配置有可調開關電源，經過可調開關電源可以對溫控閥步進電機與傳感器的供電電壓進行調節，電壓值在界面上實時顯示，從而可以判斷溫控閥當前的運行狀態。

歷史數據界面主要用于查詢溫控閥電性能測試數據。軟件運行后，當用戶確定配置，軟件會自動創建記錄文件。開始試驗后，數據根據設置的記錄周期進行記錄，同時，設置的產品基本信息也將被記錄在表格中。歷史數據的保存有利于測試數據的分析和再次利用。

2.3 測試模式

溫控閥電性能測試設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備上設置溫控閥步進電機與角位移傳感器的供電電壓、步進頻率、驅動方式、步進方向、步進角度等參數，將這些參數保存在測試設備中，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，但參數不能保存在測試設備中，在關機重啟后需要重新設置溫控閥參數。手動測試模式適用于調整溫控閥的開關角度和測試溫控閥的單一電性能。

3 設備的性能驗證

溫控閥電性能測試設備研發完成后，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，設定溫控閥電性能測試設備輸出不同的電壓值，使用標定后的萬用表測量溫控閥電性能測試設備輸出的電壓，萬用表測量結果如表1所示。設定直流電源輸出不同的電壓值，使用溫控閥電性能測試設備采集直流電源輸出的電壓，采集顯示結果如表2所示。

表1 設備輸出電壓精度驗證表

表2 設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備的供電電壓精度和采集輸出精度均符合產品電性能測試要求。

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

表3 不同測試模式下測試結果對比表 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，測試結果如表4所示。

表4 設備5路通道測試結果驗證表 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據具有良好的一致性。

4 設備的應用

溫控閥電性能測試設備已經應用到溫控閥電性能的測試中。選擇測試設備的自動測試模式，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、驅動方式、步進方向等參數。

圖6 自動測試模式參數配置界面

確定參數后，將溫控閥連接到測試設備上，點擊“開始測試”按鈕，溫控閥開始動作。溫控閥動作停止后，數據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用此設備進行電性能測試，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置試驗參數，參數設置界面如圖7所示。其中“幫助”按鈕可以查看設置參數的提示信息，如步進方向、步進節拍、步進脈沖數等。

圖7 手動測試模式參數配置界面

點擊下位機上的開關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。手動測試模式的應用，豐富了測試設備的應用形式，和自動測試模式相輔相成。

5 結束語

溫控閥電性能測試設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，該設備具備自動測試模式，將產品電性能的測試時間縮短到了原來的1/10，不僅節省了測試時間，也提高了測試數據的可靠性、一致性。該設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，為航天任務的圓滿成功奠定了基礎。