温控阀电性能测试设备的研究与应用

张 军 朱仰招

（北京航天动力研究所，北京 100076）

0 引言

温控阀用于航天器热控流体回路中，是热控流体回路温度调节的执行设备。它通过调节流入主路和旁路的流量分配，从而达到控制回路温度的目的，是航天器热控流体回路的关键产品[1]。

温控阀为三通阀，主要由端盖、阀座、阀盘、角位移传感器和步进电机组成，结构如图1所示。在控制设备的驱动下，温控阀的步进电机动作，并带动阀芯转动，可实现主路、旁路的流量调节。温控阀的阀门开度通过角位移传感器进行监测和显示。当热控系统的温度偏高时，控制系统将会驱动温控阀的步进电机工作，带动滑盘转动，使温控阀的主路开大（流量增加），旁路关小（流量减小），从而使得热控系统的温度下降[2]；反之亦然。

图1 温控阀结构图

温控阀在生产试验阶段，必须通过各种试验考核才能投入使用，其中一项考核为电性能测试，主要包括进回程差、丢步电压、启动电压等测试[3]。电性能测试原理为：设置温控阀滑盘动作步幅为N°（N自定义），使温控阀滑盘在0°→θ→0°（θ为温控阀滑盘最大转动角度）的范围内连续往复动作一个来回，每动作一次滑盘，记录温控阀角位移传感器的输出电压值，同一个滑盘角度对应往复的电压值的差值，即为进回程差。设置温控阀滑盘动作步幅为1°，将步进电机的供电电压调为A，设置温控阀角位移传感器允许最小增量为B，正方向动作温控阀，每动作1°，就以一定间隔从A逐步降低步进电机的供电电压，并计算出两次动作之间角位移传感器输出的电压增量，当增量小于B时，步进电机上一次供电电压即为丢步电压；继续降低步进电机的供电电压，当角位移传感器的输出值增量为零时，则步进电机上一次供电电压即为启动电压。

温控阀电性能测试时接线烦琐，动作次数多，需要记录的数据也多，占用了不少的时间和人工[4]。为提高温控阀电性能测试的效率和准确性，本文设计研发了温控阀电性能测试设备。温控阀电性能测试设备结构简洁，操作简单、易懂，不仅能够快速测试出温控阀的进回程差、丢步电压、启动电压等，还能自动生成数据报表，并长期保存数据。

1 设备的组成与功能

温控阀电性能测试设备包括上位机和下位机，上位机与下位机采用分体结构设计，具备自动测试和手动测试两种测试模式，两种模式可以切换使用且互不影响。当切换到手动测试模式时，下位机可以与上位机分离，单独工作。测试设备的上位机与下位机实物如图2所示。

图2 上位机与下位机实物图

温控阀电性能测试设备操作简单，测试程序集成度高，可一键测出温控阀的进回程差、丢步电压、启动电压等信息，测试流程如图3所示。该设备具有5路测试接口，能够同时测试5台产品的电性能，并同时实现5路数据的实时显示、采集、存储等功能。温控阀电性能测试设备具有启动自动校准功能，能够自动检测温控阀目前的角度并进行零位校准，还具有异常报警功能。该设备具备长时间工作能力，可连续工作12 h。

图3 测试程序流程图

2 设备的具体设计

温控阀电性能测试设备由上位机和下位机组成。其中，上位机为人机交互界面，能够实现参数配置、数据处理、数据实时显示、数据存储与查询等功能，下位机包含供电部分、可编程电源板、控制板、通信电路、安全监测等主要部分。上位机、可编程电源板、控制板之间基于CAN总线通信协议进行数据交换与控制信号传输。设备的整体设计思路如图4所示。

图4 设备的整体设计框图

2.1 下位机设计

2.1.1 供电部分

温控阀电性能测试设备的供电对象主要包括温控阀步进电机、温控阀角位移传感器、高速微控制器（MCU）、运放回路、LCD、散热风扇等部分，供电部分的整体设计框图如图5所示。其中，温控阀步进电机的供电由可编程电源板调节电源提供，温控阀角位移传感器、MCU、运放回路、LCD的供电由多路输出工频变压器经整流滤波、线性稳压后提供，散热风扇直接使用220 V交流电。

图5 供电部分整体框图

2.1.2 可编程电源板

可编程电源板的主要功能为可编程电源设计、电源电压和电流采集，并且与控制板、上位机进行控制命令和数据传输。

可编程电源板集成有高速微控制器（MCU），可以实现相关数据的采集、处理与控制，它可以同时采集电源的电压、电流以及温度等信号，能够实时监控主控板功率回路的运行状态，提高系统的可靠性。可编程电源板基于CAN总线通信协议进行数据交换，使用USB-CAN卡与PC进行通信。

2.1.3 控制板

温控阀电性能测试设备共含有五块控制板，每块控制板上均集成有高速微控制器（MCU）。控制板能够驱动温控阀的步进电机动作，同时采集温控阀电机和角位移传感器的工作电压、电流等参数。控制板还集成有可编程电阻网络、CAN通信接口和通信地址设置接口。

2.1.4 通信电路

由于温控阀电性能测试采集频率较高，并且测试设备的5路测试接口可以同时工作，通信数据大，因此，设备通信采用CAN总线通信，其最高通信速率可达1 Mb/s。温控阀电性能测试设备的可编程电源板与从控板均设计有CAN通信回路，均选用高性能CAN芯片，具有较强的静电抗扰能力。上位机和下位机使用USB-CAN卡实现通信。

2.1.5 安全监测

温控阀电性能测试设备设计有温度监测、电源模块输出电压监测和限流保护等安全措施。

可编程电源板配置有温度检测回路，采用热敏电阻对可编程电源板上的主要功率回路（步进电机电源回路、角位移传感器电源回路）进行温度监测，如果回路温度过高，则设备将及时发出报警信息并切断回路电源，提高了设备使用的可靠性。

电源模块输出电压的稳定性直接影响温控阀步进电机和角位移传感器供电的安全，如果供电异常，将可能损坏温控阀中的电子元器件，因此对电源模块输出电压进行实时监控很有必要。一旦电源模块输出电压出现异常，设备将立即切断电源模块供电回路，确保温控阀的安全。

在设备的功率回路和驱动回路上采用了功率电阻和保险丝设计，能够确保在控制器出现故障或超限的情况下实现限流保护。

2.2 上位机设计

上位机选用NI LabVIEW软件进行编写，软件整体架构采用生产者/消费者模式，可以同时实现多个VI之间或同一VI不同线程之间的同步任务和数据交换[5]。上位机界面主要包含参数配置界面、数据实时显示界面和历史数据界面等。

参数配置界面主要用于温控阀信息的录入、供电电压的设置、步进频率的设置、驱动方式的设置，以及测试模式的配置等。

数据实时显示界面主要用于显示温控阀在测试过程中的电压与电流、电机转动方向、进回程差、启动电压、丢步电压等相关数据。界面上有CAN通信指示框可以显示当前的通信状态与通信速率，并且测试设备内部配置有可调开关电源，经过可调开关电源可以对温控阀步进电机与传感器的供电电压进行调节，电压值在界面上实时显示，从而可以判断温控阀当前的运行状态。

历史数据界面主要用于查询温控阀电性能测试数据。软件运行后，当用户确定配置，软件会自动创建记录文件。开始试验后，数据根据设置的记录周期进行记录，同时，设置的产品基本信息也将被记录在表格中。历史数据的保存有利于测试数据的分析和再次利用。

2.3 测试模式

温控阀电性能测试设备的测试模式分为自动测试模式和手动测试模式两种。

自动测试模式需提前在测试设备上设置温控阀步进电机与角位移传感器的供电电压、步进频率、驱动方式、步进方向、步进角度等参数，将这些参数保存在测试设备中，并进行命名，之后再次测试同种温控阀的电性能时，在菜单中选中该名称即可。自动测试模式方便、快捷，具有很高的工作效率，测试时间约为手动测试的1/10，很大程度上缩短了温控阀的测试时间，为产品的保证交付提供了保障。

手动测试模式不需要连接上位机，使用下位机上的开关按钮即可控制温控阀动作。在手动测试模式下，也需要提前输入温控阀的各项参数，但参数不能保存在测试设备中，在关机重启后需要重新设置温控阀参数。手动测试模式适用于调整温控阀的开关角度和测试温控阀的单一电性能。

3 设备的性能验证

温控阀电性能测试设备研发完成后，操作人员对其性能进行了验证。首先进行了供电电压精度和采集输出精度的验证。通过上位机软件，设定温控阀电性能测试设备输出不同的电压值，使用标定后的万用表测量温控阀电性能测试设备输出的电压，万用表测量结果如表1所示。设定直流电源输出不同的电压值，使用温控阀电性能测试设备采集直流电源输出的电压，采集显示结果如表2所示。

表1 设备输出电压精度验证表

表2 设备采集输出精度验证表

通过表1和表2可以看出，温控阀电性能测试设备的供电电压精度和采集输出精度均符合产品电性能测试要求。

然后使用温控阀电性能测试设备分别自动测试和手动测试同一温控阀的电性能，测试结果如表3所示。

表3 不同测试模式下测试结果对比表 单位：V

从表3可以看出，自动测试和手动测试都能很好地测试出温控阀的电性能，且运行良好，满足温控阀电性能测试需求。

温控阀电性能测试设备拥有5路相互独立的测试通道，需要对5路测试通道的测试性能分别进行验证。依次选择设备的1至5通道对同一温控阀进行最大进回程差、丢步电压、启动电压测试，测试结果如表4所示。

表4 设备5路通道测试结果验证表 单位：V

从表4可以看出，5路通道测试出的温控阀的电性能数据具有良好的一致性。

4 设备的应用

温控阀电性能测试设备已经应用到温控阀电性能的测试中。选择测试设备的自动测试模式，在如图6所示的试验配置界面上输入温控阀的名称、电机供电电压、角位移传感器供电电压、驱动方式、步进方向等参数。

图6 自动测试模式参数配置界面

确定参数后，将温控阀连接到测试设备上，点击“开始测试”按钮，温控阀开始动作。温控阀动作停止后，数据界面将会显示出温控阀的进回程差、丢步电压、启动电压等信息。自动测试模式方便、快捷，将温控阀电性能的测试时间缩短为原来的1/10。目前，多个种类的温控阀都已应用此设备进行电性能测试，很大程度上提高了测试效率。

使用手动测试模式测试温控阀的电性能，在下位机的触摸屏上设置试验参数，参数设置界面如图7所示。其中“帮助”按钮可以查看设置参数的提示信息，如步进方向、步进节拍、步进脉冲数等。

图7 手动测试模式参数配置界面

点击下位机上的开关按钮可以使得温控阀动作，将温控阀动作时的电压逐一记下，然后，通过计算可以得出温控阀的进回程差、丢步电压、启动电压等信息。手动测试模式的应用，丰富了测试设备的应用形式，和自动测试模式相辅相成。

5 结束语

温控阀电性能测试设备能够快速测试出温控阀的进回程差、丢步电压、启动电压等电性能参数，该设备具备自动测试模式，将产品电性能的测试时间缩短到了原来的1/10，不仅节省了测试时间，也提高了测试数据的可靠性、一致性。该设备的各通道相互独立工作，可同时测试多台温控阀，也方便进行故障定位与检修[6]。温控阀电性能测试设备很大程度上缩短了温控阀的电性能测试的时间，为航天任务的圆满成功奠定了基础。