Имитатор синусоидального тока нагрузки для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов

Устройство предназначено для имитации синусоидального тока нагрузки, во время проведения наземных испытаний систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Как было отмечено ранее (в патентах на полезную модель РФ №№88812 и 50317), в ходе проведения наземных испытаний СЭП КА, одним из существующих видов имитируемых нагрузочных токов является гармоническая широкодиапазонная (20 Гц ÷ 150 кГц) токовая нагрузка (фиг. 1).
см
Данный вид нагрузки представляет собой синусоидально изменяющееся значение тока в выходной шине СЭП, при этом синусоидальная функция лежит выше оси абсцисс, т.е. смещена на величину I. Таким образом, аналитическое выражение для синусоидального тока в выходной шине СЭП имеет вид
ш
амп.
0
амп.
см.
амп.
I(t)=(I+I)+Isinωt=I+Isinωt,
амп
0
см
где I - амплитуда тока, I - базовое смещение нижней точки синусоидальной функции тока, I - суммарное необходимое смещение функции.
Существующие решения, указанные выше, обладают характерными недостатками. Учитывая преимущества полевых транзисторов перед биполярными (высокое входное сопротивление, малые шумы и т.д.), существует необходимость применять в нагрузочных устройствах не биполярные, а полевые транзисторы, имеющие также существенно больший запас прочности по напряжению. Для того чтобы удерживать мощный полевой транзистор, который, по сути, является ключевым элементом, обладающим большим коэффициентом усиления (во время работы находится либо в зоне насыщения, либо в зоне отсечки) в линейном режиме, необходимо удерживать управляющий сигнал на затворе в узком диапазоне напряжения, для мощного полевого транзистора это приблизительно 3÷4 В. При этом края этого диапазона нечеткие и могут отличаться в транзисторах из одной партии, которых, как известно, не существует абсолютно одинаковых. Наличие этого свойства приводит к тому, что нагрузочное устройство, работающее на полевых транзисторах в линейном режиме, обладает неустойчивостью и неудовлетворительными динамическими показателями.
В качестве прототипа выбран модуль переменной (синусоидальной) нагрузки по патенту на полезную модель РФ №50317, выполненный в виде ключевых транзисторных элементов с фиксированными нагрузками, управляемых синусоидальными сигналами схемы управления синусоидальной нагрузкой.
Предлагаемое решение направлено на устранение обозначенного технического противоречия и отличается от известного прототипа тем, что в имитаторе синусоидального тока нагрузки для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, выполненном в виде n ключевых транзисторных элементов с фиксированными нагрузками, присоединенных параллельно испытываемой системе электроснабжения и образующих несколько блоков, каждый из которых соответствует определенному разряду десятичного значения сопротивления, в котором указанные ключевые элементы управляются системой управления, связанной с ЭВМ, содержащей программу испытаний, в качестве ключевых элементов используются транзисторы, работающие в импульсном режиме (класс D). Кроме того, в шину испытываемой системы электроснабжения введен датчик тока, а система управления выполнена цифровой, с выводом сигналов управления ключевыми элементами в виде двоично-десятичных кодов, при этом система управления содержит микроконтроллер, соединенный с ЭВМ и имеющий в своем составе аналого-цифровой преобразователь, преобразующий сигналы указанного датчика тока в цифровой код, который сравнивается с цифровым кодом подаваемой от ЭВМ уставки действующего значения тока, при этом выходы указанного микроконтроллера по числу блоков разрядов десятичного значения сопротивления соединены с магистральными предусилителями, обеспечивающими гальваническую развязку портов контроллера от силовой части схемы, выходы указанных предусилителей соединены с усилителями мощности, каждый из которых соединен с соответствующим блоком разряда десятичного значения сопротивления и в котором число n определяется необходимой точностью имитации синусоидального тока.
Силовые транзисторы, обеспечивающие протекание синусоидального нагрузочного тока, работают не в линейном (класс А), а в импульсном режиме (класс D). Это приводит к снижению нагрева транзисторов и, соответственно, к увеличению надежности и долговечности испытательного устройства. Система управления нагрузкой также является цифровой, т.е. сигналы управления транзисторами выдаются в виде цифрового двоично-десятичного кода. Это обеспечивает устойчивость системы во всем диапазоне частот имитируемого тока, что отсутствует в аналоговой системе управления транзисторами, где АЧХ устройства имеет характерные провалы и подъемы в разных частотных диапазонах.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью чертежей, на которых представлено: фиг. 2 - схематическое представление нагрузочного устройства, работающего в цифровом режиме; фиг. 3 - ток в шине СЭП КА, заданный с периодом квантования 10 эл. гр.; фиг. 4 - ток в шине СЭП КА, заданный с периодом квантования 5 эл. гр.; фиг. 5 - функциональная схема имитатора тока нагрузки для СЭП КА в соответствии с заявляемой полезной моделью; фиг. 6 - алгоритм работы микроконтроллера, осуществляющий дискретное управление силовыми транзисторами; и на фиг. 7 - результат математического моделирования дискретного имитатора тока, где Is(i) - ток в шине СЭП, Rs(i) - значение суммарного сопротивления нагрузки
0
3
4
7
20
23
30
33
На Фиг. 2 цифрой 1 обозначена испытываемая система электроснабжения, 2 - блок резисторов R-R, обеспечивающих разрядность нагрузочного сопротивления, соответствующую десяткам, 3 - блок резисторов R-R, обеспечивающих разрядность сопротивления, соответствующую единицам. K-K и K-K - ключевые транзисторные элементы блока 2 и блока 3 соответственно.
В этом случае имеется возможность задать любое значение сопротивления, с точностью до единицы, в диапазоне 1÷165 Ом (Таблица 1).
Тогда диапазон возможных значений тока определяется
Разобьем один период синусоидальной функции тока (фиг. 1) на 36 равных временных интервалов (что соответствует 10 эл. гр., на интервал). Каждому интервалу поставим в соответствие мгновенное значение синусоидальной функции тока. Таким образом, получаем функцию тока, заданную дискретно (фиг. 3). Сократив интервал квантования вдвое (что соответствует 5 эл. гр., на интервал), получим синусоидальную функцию, заданную дискретно и имеющую меньшую ошибку, т.е. вид ее более гладкий (фиг. 4). Из представленных чертежей можно сделать вывод, что, разбив период функции на 360 интервалов (что соответствует 1 эл. град, на интервал), абсолютную ошибку дискретной синусоидальной функции можно привести к приемлемому диапазону, т.е. функция будет близка к своему непрерывному аналогу.
1
5
Предлагаемый имитатор синусоидального тока нагрузки (фиг. 5) для испытаний системы электроснабжения 1 содержит 5 силовых блоков, 2-6, которые состоят из 4-х полевых транзисторов и 4-х нагрузочных резисторов. Каждый блок соответствует определенному разряду десятичного значения сопротивления, которое определяется подачей комбинированного двоично-десятичного кода от системы управления 7, состоящей из микроконтроллера 8, блока магистральных предусилителей 9 и усилителей мощности 10-10 (драйверов). Цифровой код уставки тока поступает от ЭВМ 11 по последовательному интерфейсу. Датчик тока 12 включен в шину испытываемой системы 1. В составе микроконтроллера 8 имеется аналого-цифровой преобразователь 13.
Устройство работает следующим образом.
уст.
Уставка действующего значения тока синусоидальной нагрузки в виде кода Z поступает в микроконтроллер 8 от ЭВМ 11 по последовательному интерфейсу.
Сигнал обратной связи, несущий информацию о токе в шине испытываемой СЭП 1, подается с датчика тока 12 на аналого-цифровой преобразователь 13, расположенный в корпусе микроконтроллера 8, с целью обеспечения стабилизации и необходимой точности имитируемого тока.
Микроконтроллер 8, получая сигналы уставки и сигналы обратной связи с датчика тока 12, преобразует их в необходимый, в данном случае, 20-битный код (зависит от точности имитации синусоидального тока), по алгоритму, представленному на фиг. 6.
20
21
22
23
1
5
Параллельный код задающего воздействия поступает на блок магистральных предусилителей 9, необходимых для гальванической развязки портов контроллера от силовой части схемы и повышения величины логического уровня (до 15 В), с целью обеспечения помехоустойчивости. Для согласования входных сопротивлений силовых транзисторов (K, K, K, K) с выходным сопротивлением системы управления необходимо использование усилителей мощности 10-10.
Результат математического моделирования тока в шине СЭП КА, имитируемого дискретным способом, представлен на фиг. 7.