БЛОК УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯМИ

Назначение
Полезная модель относится к автоматической системе обеспечения теплового режима (СОТР) космического аппарата (КА) и представляет собой микропроцессорный блок, управляющий подключаемыми внешними электронагревателями, размещенными на элементах конструкции КА, на основании заданных температурных уставок, информации, снимаемой с подключаемых внешних термодатчиков, в соответствии с внешними командами управления. Может использоваться в качестве автоматического устройства управления любой группой электронагревателей, используемых в народном хозяйстве.
Уровень техники
Основной задачей теплового проектирования КА является обеспечение температурных режимов бортового радиотехнического комплекса, отдельных функциональных приборов, различных электромеханических устройств, больших пространственных конструкций, антенно-фидерных устройств и т.п. Их нормальное функционирование и выходные параметры, а также надежность и ресурс работы во многом определяются температурными условиями, при которых эти устройства выполняют свои функции. При размещении бортовой аппаратуры в КА возможны два варианта. В первом случае бортовая аппаратура располагается внутри КА в герметичном контейнере, внутри которого имеется какая-то атмосфера и поддерживается определенный тепловой режим. Во втором случае применяется бесконтейнерный вариант, т.е. бортовая аппаратура расположена непосредственно на рамах и корпусе КА в космическом вакууме и должна подогреваться индивидуально.
Распределение температур по элементам конструкции КА определяется полем внешних тепловых потоков, свойствами поверхности аппарата, ориентацией его в пространстве (в космосе одна и та же поверхность, ориентированная по-разному относительно поля, внешних тепловых потоков, будет иметь разную температуру), энергопотреблением бортовой аппаратуры, тепловыми связями в аппарате и рядом других факторов. Отдельные элементы аппарата работоспособны в строго определенных диапазонах температур. Например, внешняя аппаратура КА «Ресурс-01» устанавливается на открытой платформе, которая расположена на торце гермоконтейнера со стороны Земли. Некоторые приборы попадают на несколько часов в тень, отбрасываемую корпусом сканирующего радиометра, термоконтейнером или приборной платформой, поэтому в любом современном КА обязательно наличие бортовой системы обеспечения теплового режима - СОТР.
Термостабилизация внешней аппаратуры осуществляется с помощью радиаторов с заранее рассчитанной площадью. В качестве радиаторов используются поверхности, обращенные в сторону Земли или в теневое полупространство. Основная поверхность приборов и элементов конструкции закрывается экранно-вакуумной теплоизоляцией. Температура части приборов регулируется управляемыми нагревателями, включаемыми по меткам времени в соответствии с заходом конкретного элемента конструкции в тень.
В качестве нагревателей используются промышленные нагреватели, совмещенные с термочувствительными элементами и необходимьми устройствами для телеметрического контроля, которые могут использоваться в любых системах, требующих автоматического регулирования, причем не обязательно в системах космических.
Например, известно устройство для регулирования температуры по патенту РФ №2111524. Это устройство содержит последовательно соединенные термометр сопротивления, измерительную мостовую схему, усилитель напряжения, позиционное реле, ключевой элемент и исполнительный блок, а также импульсный прерыватель, выход которого подключен к входу ключевого элемента, двухуровневый компаратор и источник опорного напряжения, при этом входы двухуровневого компаратора соединены с выходами усилителя напряжения и источника опорных напряжений, а выход подключен к входу исполнительного блока. Это устройство обеспечивает регулирование температуры нагревателя с высокой надежностью и позволяет выполнять дополнительную функцию защиты теплообменного аппарата в аварийных ситуациях за счет того, что выходной сигнал измерительной мостовой схемы проверяется на соответствие заданному диапазону регулируемых температур.
3
Известна полезная модель «Устройство электронного управления мощностью нагревателя» (RU №92728). Это аналоговое электронное устройство, осуществляющее автоматическое управление мощностью нагревателя во времени посредством следящей системы с отрицательной обратной связью. Устройство включает в себя: генератор функций-импульсов напряжения избранной формы; блок сравнения, содержащий дискриминатор и усилитель рассогласования; блок выделения сигнала на нагревателе, содержащий узлы выделения сигнала, пропорционального току и напряжению, и аналоговый перемножитель; блок регистрации и обработки данных, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, компьютера, узлов масштабирования сигнала тока и величины напряжения; силовой элемент, состоящий из проволочного нагревателя-зонда, токового сопротивления и транзистора. Устройство обеспечивает возможность сравнения параметров выходного сигнала измерителя электрической мощности нагрева проволочного нагревателя-зонда во времени с параметрами управляющего сигнала-импульса напряжения заданной формы, например, прямоугольной. Процесс измерения и управления состоит в сравнении амплитуды сигнала, пропорционального подводимой к нагревателю мощности с заданным управляющим сигналом. Разностный сигнал усиливается и поступает для управления мощностью нагрева. Сущность заключается в минимизации отклонений фактически подводимой мощности к нагревателю от заданной величины. Общее усиление в петле обратной связи имеет значение 10, что позволяет обеспечить точность поддержания заданной температуры равной 0,2%.
Для решения задачи многоканального автоматического регулирования температуры по принципу последовательной циклической выборки значений заданной и действительной температур каждого канала известен многоканальный импульсный регулятор температур (авторское свидетельство SU 1215102), выбранный за прототип. Регулятор содержит блок задания температуры, цифроаналоговый преобразователь, схему сравнения, пропорциональный блок и пороговый элемент, выход которого соединен с информационными входами ключей первой группы, связанных выходами с информационными входами дискретных запоминающих блоков, выходы которых подключены к входам исполнительных элементов. Кроме того, содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, кольцевой счетчик, связанный выходом с первым входом блока задания температуры, второй выход которого подключен к входу дешифратора, соединенного выходами с управляющими входами ключей первой и второй групп. Информационные входы ключей второй группы подсоединены к выходам термопреобразователей, а выход через усилитель - к второму входу схемы сравнения. Также содержит генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен со вторым входом порогового элемента, и последовательно соединенные блок задания переменных коэффициентов и третью группу ключей, управляющие входы которых связаны с выходом дешифратора, а выходы - с управляющими входами пропорционального блока.
Такой регулятор обеспечивает параллельную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) в n-каналах регулирования с периодом генератора пилообразного напряжения с одновременной автоматической установкой в каждом канале своего коэффициента усиления.
Недостатком является инерционность регулирования температуры, определяющая ограниченную точность регулировки, так как в качестве формирователя сигнала управления используется ШИМ сигналов с генератора пилообразного напряжения.
Раскрытие полезной модели
Сущность технического решения предлагаемой полезной модели заключается во включении в функциональную схему БУН устройств цифровой вычислительной техники, для обеспечения цифрового управления электронагревателями отдельных блоков космического аппарата, требующих поддержания заданных рабочих температур.
Технический эффект выражается в обеспечении высокой точности поддержания любой заданной температуры в каждом блоке космического объекта, снабженном электрическим нагревателем, независимо друг от друга. Это достигается путем введения в схему БУН микропроцессора и связанных с ним по внутренней магистрали: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), являющимися основными составляющими любого вычислительного устройства, а также порта приема дискретных данных, через который результат сравнения контролируемой температуры с заданными температурными уставками попадает через внутреннюю магистраль на микропроцессор.
Микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, порт приема дискретных данных - обеспечивают цифровое управление электронагревателями для импульсного подогрева отдельных блоков космического аппарата до заданного значения рабочей температуры, заложенной в температурных уставках в виде прошитой программы ПЗУ. Управление осуществляется в непосредственной зависимости от реальной климатической обстановки в каждый опрашиваемый момент времени, т.е с учетом обратной связи, обеспеченной термодатчиками, расположенными на тех же блоках космического аппарата, где установлены электронагреватели и подключаемыми к БУНу через разъем для подключения термодатчиков. Этот разъем связан через измерительный усилитель с аналоговым коммутатором, который разрешает пропуск сигналов от термодатчиков по сигналу от ОЗУ с заданными частотой и периодом опроса. Значение частоты опроса термодатчиков определяет точность регулировки температуры: чем выше частота и меньше период опроса, тем выше точность поддержания температуры. Частота и период опроса задаются микропроцессором. Например, если период опроса устанавливается равным 1 с, то за эту секунду со всех, подключенные к разъему термодатчиков, поочередно снимается информация, которая сейчас же обрабатывается микропроцессором и поступает в ОЗУ. Туда же приходит и информация о температурных уставках из ПЗУ, которая поступает на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразует ее в аналоговые сигналы и подается на вход компаратора для сравнения их с фактическими сигналами, снимаемыми с термодатчиков, которые поступают на второй вход компаратора. Разностный сигнал на выходе компаратора по каждому каналу является «сигналом к действию», т.е. определяет в конечном счете характеристику управляющего сигнала для каждого нагревателя. Эта информация через порт приема дискретных данных поступает через внутреннюю магистраль - опять-таки на микропроцессор, который создает управляющий сигнал, поступающий через ОЗУ на выходной формирователь, соединенный с разъемом для подключения нагревателей. Выходные формирователи работают в ключевом режиме: при «1» - разъем соответствующего канала подключается к шине питания, при «0» - отключается от нее. Таким образом происходит импульсный нагрев электрических нагревателей, регулируемый цифровым способом. Это обеспечивает очень высокую точность поддержания нужной температуры, так как в каждый период опроса происходит корректировка степени нагрева электронагревателей в зависимости от реальной температурной ситуации на обогреваемых элементах.
Таким образом, благодаря использованию цифровых вычислительных устройств (микропроцессора, ПЗУ и ОЗУ), БУН обеспечивает поддержание заданной температуры, прописанной в ПЗУ для каждого электронагревателя, подключаемого к одному из разъемов БУН, с высокой точностью, за счет оперативного отслеживания реальной температуры каждого элемента КА с любой наперед заданной периодичностью измерительного цикла, записанной в ОЗУ, и формирования импульсного сигнала, управляющего электронагревателем этого элемента. Цифровое управление любым процессом гораздо точнее аналогового, так как, во-первых, можно задать любые параметры управляющих импульсов, в частности, частоту опроса термодатчиков, которая определяет точность поддержания температуры (чем выше частота, тем выше точность), а во-вторых, аналоговые элементы имеют негативное свойство старения через некоторое время, сопровождающееся уходом параметров (хотя КА должны непрерывно работать на орбите 8 лет и более), в отличие от цифровых, работающих с двумя уровнями - «0» и «1».
Кроме того, в блок введен сторожевой таймер, осуществляющий периодическую инициализацию микропроцессора для защиты от случайных сбоев.
Кроме того, блок обеспечивает формирование и циклическую передачу телеметрической информации по каждому каналу, а также по работе всех ключевых элементов схемы. В процессе регулирования температуры микропроцессор периодически переключает ЦАП на формирование заданного телеметрического параметра: сигнал с одного из портов ОЗУ поступает на формирователь телеметрического сигнала, который подключается к ЦАП только при передаче элементов телеметрического сигнала и блокирует эту связь, когда ЦАП участвует в процессе контроля температуры. При этом в памяти формирователя телеметрического сигнала сохраняется неизменным уровень принятого телеметрического сигнала.
Кроме того, блок включает в себя устройство управления, входы которого подключены к командному разъему, через который осуществляется управление работой всего блока путем переключения в разные режимы, прописанные в ПЗУ (например, переключение на резервный режим, режим смены температурной уставки канала, режим наземных испытаний блока и т.д.).
Описание графической фигуры
На графической фигуре представлена структурная электрическая схема блока управления нагревателями (БУН) в виде соединенных между собой прямоугольников, внутри которых написано сокращенное наименование элемента и номер позиции в соответствии с текстом описания. БУН имеет четыре разъема для подключения внешних устройств: разъем для подключения внешних термодатчиков, разъем для подключения внешних электрических нагревателей, командный разъем для приема внешних команд управления, разъем телеметрии для подключения передатчика телеметрической информации.
Осуществление полезной модели
Структурная электрическая схема блока управления нагревателями, представленная на графической фигуре, включает в себя следующие элементы:
МП (микропроцессор) - 1;
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - 2;
Q (таймер) - 3
порты вывода цифровой информации: РА - 4, РВ - 5, PC - 6;
ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - 7;
ППР (порт приема дискретных данных) - 8;
разъем (для подключения термодатчиков) - 9
ИУ с (измерительные усилители) - 10;
АК (аналоговый коммутатор) - 11;
Комп (компаратор) - 12;
ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) - 13;
ВФ (выходные формирователи) - 14;
ФТС (формирователь телеметрического сигнала) - 15;
СтТ (сторожевой таймер) - 16;
УУпр (устройство управления) - 17;
разъем (для подключения нагревателей) - 18;
командный разъем - 19;
разъем телеметрии - 20.
Микропроцессор 1 (например, типа М1821ВМ85А) осуществляет все функции по организации работы блока, синхронизации взаимодействия его составных частей и выполнению необходимых вычислительных операций. Микропроцессор 1 - основной программно-управляемый элемент, осуществляющий процесс обработки цифровой информации. Он генерирует адресные сигналы и управляющие импульсы, необходимые для обращения к памяти и устройству ввода вывода, а также отвечает на запросы прерываний. Микропроцессор 1 работает в циклическом режиме, который состоит из выборки команды из памяти и ее выполнения, выборки следующей команды и т.д. Через внутреннюю магистраль он связан с ОЗУ 2, ПЗУ 7, портом приема дискретных данных 8. В соответствии с программным обеспечением, заложенным в ПЗУ 7, микропроцессор организует работу по нескольким жестким циклам, при этом сигнал кварцованной частоты таймера 3, заведен на вход прерываний микропроцессора.
В качестве ОЗУ 2 может использоваться, например, ОЗУ статического типа емкостью 256 байт на базе БИС типа М1821РУ55. При обращении микропроцессора 1 к ОЗУ 2 происходит запись информации в ячейки памяти ОЗУ 2 или передача информации из ячеек памяти ОЗУ 2, при отсутствии обращения - ячейки ОЗУ 2 находятся в режиме хранения информации.
ПЗУ 7 может быть построено на одной микросхеме типа М1623РТ1А с однократным электрическим программированием. В ПЗУ 7 хранится штатное бортовое программное обеспечение, включающее в себя набор рабочих и контрольных программ и таблицы температурных констант (уставки и граничные значения температур). Обращение к ПЗУ 7 происходит только по сигналу микропроцессора 1, поступающему на управляющий вход дешифратора ПЗУ 7, при этом на выходы, то есть на шину выводится содержимое выбранной ячейки памяти ПЗУ 7.
Параллельно с микросхемой М1623РТ1А используется соединитель для подключения без пайки технологической микросхемы ПЗУ, например, типа 573 РФ2 или 573 РФ5, имеющей возможность многократного перепрограммирования. Эта микросхема имеет одинаковую с М1623РТ1А адресацию и структурную организацию. Технологическая микросхема используется (только при отсутствии М1623РТ1А) при настройке и тестировании БУН, а также при отладке и корректировке ПО.
С помощью программируемого интервального таймера 3 микропроцессор 1 реализует обработку принятых сигналов термодатчиков и управление электронагревателями в реальном масштабе времени, а также формирует все временные циклы работы БУН. Микропроцессор 1 воспринимает входные импульсы таймера 3 как сигналы прерывания. Таймер может быть выполнен на базе БИС типа М1821РУ55 и представлять собой 14-разрядный счетчик, работающий на вычитание, и двухразрядный регистр режимов работы.
Порт РА 4 предназначен для управления через выходные ключи выходных формирователей 14 электронагревателями системы СОТР, причем каждому из n разрядов порта соответствует свой канал нагревателя.
Через порт РВ 5 и младшие разряды порта PC 6 задается код и цифровые входы ЦАП 13 для преобразования их цифровых сигналов в аналоговую форму. Это либо температурные константы (уставки или граничные значения), либо элементы телеметрического сигнала БУН.
Старшие разряды порта PC 6 управляют последовательным переключением n измерительных каналов аналогового коммутатора 11 с периодичностью 1/n с, где n - число каналов блока. За измерительный интервал, например 1 с, каждому каналу отведено время по 1/n с. Еще один разряд порта PC 6 устанавливает режим работы формирователя телеметрического сигнала 15 - "выборка" или "хранение".
Внешние термодатчики через разъем 9 и измерительные усилители 10, которые преобразуют величину сопротивления в уровень постоянного напряжения, соединены с одним входом аналогового коммутатора 11, с выхода которого преобразованные и усиленные сигналы поочередно поступают на один вход компаратора 12, построенного, например, на базе операционного усилителя 140YD17A. Выбор канала аналогового коммутатора 11, который может быть построен на микросхеме типа 590КН6, осуществляется управляющими цифровыми сигналами PC, поступающими с порта вывода цифровой информации PC 6 на второй вход аналогового коммутатора 11. В качестве термодатчиков могут использоваться проволочные термометры сопротивления, имеющие нормированную характеристику сопротивления от температуры окружающей среды. Измерительные усилители 10 могут быть выполнены в виде n одинаковых измерительных усилителей, построенных на базе прецизионных операционных усилителей 140YD17A.
На один вход порта приема дискретных данных 8 в виде формата m-разрядного слова из устройства управления 17 поступают сведения о принятых командах управления с командного разъема 19, а на второй вход - от компаратора 12 в виде результата сравнения контролируемой температуры с уставками и граничными значениями (больше или меньше). Порт приема дискретных данных 8 представляет собой селектор, например, микросхема 1554АП5, информация которого, считывается по сигналу опроса микропроцессора 1. Так например, выходы селектора выводятся из высокоимпедансного состояния сигналом, поступившем на входы управления при опросе (чтении) порта микропроцессором 1, при этом на выходных шинах селектора устанавливаются данные со входа селектора.
Устройство управления 17 может быть выполнено в виде группы реле, а также общего для БУН переключающего устройства. При поступлении команды СУ-Т на один из входов устройства управления 17 устанавливается технологический режим работы БУН. Этот режим используется только при наземных комплексных испытаниях системы СОТР. Он характеризуется тем, что штатные температурные установки заменяются на единую для всех каналов технологическую уставку например, 25°С, что дает возможность поверить работу всех нагревателей системы при температуре окружающей среды ниже 25°С.
ЦАП 13 преобразует двоичный код в уровни постоянного напряжения. ЦАП 13 может быть построен на двух микросхемах: собственно ЦАП (микросхема типа 1523ПА1), преобразующий 10-разрядный двоичный код в токовый сигнал, и операционный усилитель, преобразующий ток в уровни постоянного напряжения. Микропроцессор 1 периодически переключает ЦАП 13 на формирование телеметрического параметра БУН.
Рассмотрим пример организации работы устройств по формированию телеметрических параметров.
В зависимости от текущего времени телеметрического цикла, например (0-24) с, микропроцессор 1 выдает через порты РВ 5, PC 6 на вход ЦАП 13 код, соответствующий уровню одного, например, из 24 элементов цикла: либо маркер "Начало цикла", либо маркер канала, либо сигнал "Скважность" или "Тепловой контроль" одного из каналов. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 13 поступает на формирователь телеметрического сигнала 15, который выполняет функции аналогового коммутатора, аналоговой памяти и гальванической развязки. Аналоговый коммутатор разрешает подключение формирователя телеметрического сигнала 15 к ЦАП 13 только при передаче элементов телеметрического сигнала и блокирует эту связь, когда ЦАП 13 участвует совместно с коммутатором в процессе контроля температуры.
Аналоговая память сохраняет уровень принятого элемента телеметрического сигнала и соответственно уровень выходного гальванически развязанного сигнала БУН неизменным при отключениях формирователя телеметрического сигнала 15 от ЦАП 13. 24 элемента телеметрического сигнала, последовательно выдаваемого на формирователь телеметрического сигнала 15, предварительно подготавливаются и хранятся в цифровом виде в ОЗУ 2. Фиксированные коды маркера "Начало цикла" и маркера канала считываются из ПЗУ 7. Сигнал "Скважность" вычисляется за предыдущие, например, 88 минут работы и представляет собой величину, пропорциональную отношению суммарного времени включенного состояния данного нагревателя к общему времени работы (88 мин). Информация включенного состояния нагревателей поступает с дискретностью 1 с для каждого текущего, например, четырехминутного интервала, поэтому код сигнала "Скважность" подсчитывается и обновляется каждые 4 мин. Через сигнал "Тепловой контроль" в систему телеметрии выдаются квитанции о приеме управляющих команд смены уставок, а также диагностическая оценка работы канала: находится ли контролируемая температура в допустимых рабочих границах. Для ответа на этот вопрос микропроцессор 1 организует сравнение усиленного сигнала термодатчика данного канала с нижней температурной границей.
Сторожевой таймер 16 предназначен для перезапуска (аппаратного рестарта) микропроцессора 1 с целью выхода из нештатных ситуаций - при случайных сбоях и зависаниях микропроцессора 1, которые прерывают исполнение рабочей программы и нарушают функционирование БУН. Возможность возникновения подобных ситуаций следует учитывать исходя из особенностей построения и режима работы БУН, а именно, продолжительная непрерывная работа без отключения питания в течение всего гарантийного ресурса. При этом ограничиваться начальной инициализацией только при включении питания БУН недостаточно. Сторожевой таймер 16 может быть выполнен в виде задающего генератора, двоичного счетчика и ключа.
Выходные формирователи 14 - это n усилителей мощности, работающих в ключевом режиме, нагрузкой которых являются внешние нагреватели, например, металлопленочные резисторы, изготовленные по технологии гибких печатных плат. Количество выходных формирователей 14 определяется числом выходных каналов БУН и все каналы идентичны.
Усилитель мощности выходного формирователя 14 может быть выполнен в виде последовательно включенных предусилителя и мощного ключевого каскада.
На предусилитель заводятся сигналы с информацией о тепловой обстановке в каналах ("1" - температура ниже уставки, "0" - выше уставки). Сигналы, имеющие высокий уровень, открывают цепи базовых токов выходных каскадов. Выходные каскады, собранные на двух транзисторах по схеме Дарлингтона, открываются и входят в режим насыщения, обеспечивая протекание тока от бортового источника в коллекторной нагрузке - нагревателях. Сигналы, имеющие низкий уровень, закрывают транзисторы формирователя и нагреватели обесточиваются.