RU174833U1

RU174833U1 - Simulator of a sinusoidal load current for testing spacecraft power supply systems

Info

Publication number: RU174833U1
Application number: RU2017115076U
Authority: RU
Inventors: Антон Геннадьевич Юдинцев; Александр Александрович Ткаченко
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-11-03

Abstract

Имитатор синусоидального тока нагрузки для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов относится к устройствам для испытаний систем электроснабжения. В частности, полезная модель относится к электронному имитатору синусоидальной нагрузки для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение надежности и улучшение динамических характеристик имитатора. Имитатор синусоидального тока нагрузки для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов выполнен в виде n ключевых транзисторных элементов (K₂₀-K₂₃) с фиксированными нагрузками (R₀-R₃), присоединенных параллельно испытываемой системе электроснабжения 1 и образующих несколько блоков (2-6). Каждый из блоков соответствует определенному разряду десятичного значения сопротивления, в котором указанные ключевые элементы управляются системой управления 7, 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 12, а система управления выполнена цифровой, с выводом сигналов управления ключевыми элементами в виде двоично-десятичных кодов. При этом система управления содержит микроконтроллер 8, соединенный с ЭВМ и имеющий в своем составе аналого-цифровой преобразователь 13, преобразующий сигналы указанного датчика тока в цифровой код, который сравнивается с цифровым кодом подаваемой от ЭВМ уставки действующего значения тока. Выходы микроконтроллера по числу блоков разрядов десятичного значения сопротивления соединены с магистральными предусилителями 9, обеспечивающими гальваническую развязку портов контроллера от силовой части схемы. Выходы предусилителей соединены с усилителями мощности 10₁-10₅, каждый из которых соединен с соответствующим блоком разряда десятичного значения сопротивления и в котором число n определяется необходимой точностью имитации синусоидального тока. 7 ил., 1 табл.

A simulated sinusoidal load current for testing spacecraft power systems relates to devices for testing power systems. In particular, the utility model relates to an electronic simulator of a sinusoidal load for testing power supply systems of spacecraft. The technical result is the expansion of functionality, increasing reliability and improving the dynamic characteristics of the simulator. A simulated sinusoidal load current for testing spacecraft power supply systems is made in the form of n key transistor elements (K ₂₀ -K ₂₃ ) with fixed loads (R ₀ -R ₃ ) connected in parallel to the tested power supply system 1 and forming several blocks (2-6) . Each of the blocks corresponds to a certain digit of the decimal value of resistance, in which these key elements are controlled by a control system 7 connected to a computer containing a test program. The key elements are pulsed transistors (class D). In addition, a current sensor 12 is introduced into the bus of the tested power supply system, and the control system is digital, with the output of control signals of key elements in the form of binary decimal codes. Moreover, the control system contains a microcontroller 8 connected to a computer and incorporating an analog-to-digital converter 13 that converts the signals of the specified current sensor into a digital code, which is compared with the digital code of the setpoint of the current value supplied from the computer. The outputs of the microcontroller in the number of blocks of digits of the decimal value of the resistance are connected to the main preamplifiers 9, providing galvanic isolation of the controller ports from the power part of the circuit. The outputs of the preamplifiers are connected to power amplifiers 10 ₁ -10 ₅ , each of which is connected to the corresponding block of the discharge of the decimal value of resistance and in which the number n is determined by the necessary accuracy of simulating a sinusoidal current. 7 ill., 1 tab.

Description

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).The device is designed to simulate a sinusoidal load current during ground-based tests of power supply systems (BES) of spacecraft (SC). As noted earlier (in the patents for the utility model of the Russian Federation No. 888812 and 50317), during ground tests of the SEC of the spacecraft, one of the existing types of simulated load currents is a harmonic wide-range (20 Hz ÷ 150 kHz) current load (Fig. 1) .

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_см. Таким образом, аналитическое выражение для синусоидального тока в выходной шине СЭП имеет видThis type of load is a sinusoidally changing current value in the output line of the BOT, while the sinusoidal function lies above the abscissa axis, i.e. shifted by a value of I _see Thus, the analytical expression for the sinusoidal current in the output bus of the BOT has the form

I_ш(t)=(I_амп.+I₀)+I_амп.sinωt=I_см.+I_амп.sinωt,I _w (t) = (I _amp. + I ₀ ) + I _amp. sinωt = I _see + I _amp. sinωt,

где I_амп - амплитуда тока, I₀ - базовое смещение нижней точки синусоидальной функции тока, I_см - суммарное необходимое смещение функции.where I _amp is the amplitude of the current, I ₀ is the base offset of the lower point of the sinusoidal current function, I _cm is the total required shift of the function.

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.Existing solutions mentioned above have characteristic disadvantages. Given the advantages of field-effect transistors over bipolar (high input impedance, low noise, etc.), there is a need to use field-effect transistors in bipolar devices, which also have a significantly greater margin of safety in voltage. In order to hold a powerful field-effect transistor, which, in fact, is a key element with a large gain (during operation it is either in the saturation zone or in the cut-off zone) in a linear mode, it is necessary to keep the control signal on the gate in a narrow voltage range , for a high-power field effect transistor it is approximately 3 ÷ 4 V. Moreover, the edges of this range are fuzzy and may differ in transistors from the same batch, which, as you know, do not exist exactly the same. The presence of this property leads to the fact that the load device operating on field-effect transistors in a linear mode has instability and unsatisfactory dynamic performance.

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.As a prototype, the module of the variable (sinusoidal) load was selected according to the patent for the utility model of the Russian Federation No. 50317, made in the form of key transistor elements with fixed loads controlled by sinusoidal signals of the sinusoidal load control circuit.

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.The proposed solution is aimed at eliminating the indicated technical contradiction and differs from the known prototype in that in the simulator of a sinusoidal load current for testing power systems of spacecraft made in the form of n key transistor elements with fixed loads connected in parallel to the tested power supply system and forming several blocks, each of which corresponds to a certain category of decimal value of resistance, in which the specified key elements are controlled by the control system associated with a computer comprising a test program, as key elements uses transistors operating in pulsed mode (class D). In addition, a current sensor is introduced into the bus of the tested power supply system, and the control system is digital, with the output of control signals of key elements in the form of binary decimal codes, while the control system contains a microcontroller connected to a computer and incorporating an analog-to-digital converter that converts the signals of the specified current sensor into a digital code, which is compared with the digital code of the setpoint of the current value supplied from the computer, while the outputs of the specified microcontroller at the blocks of digits of the decimal value of the resistance, they are connected to the main preamplifiers providing galvanic isolation of the controller ports from the power part of the circuit, the outputs of these preamplifiers are connected to power amplifiers, each of which is connected to the corresponding block of the discharge of the decimal value of the resistance and in which the number n is determined by the necessary accuracy of the sinusoidal simulation current.

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.Power transistors that provide the flow of a sinusoidal load current do not work in a linear (class A), but in a pulsed mode (class D). This leads to a decrease in the heating of transistors and, accordingly, to an increase in the reliability and durability of the test device. The load management system is also digital, i.e. transistor control signals are issued in the form of a digital binary decimal code. This ensures the stability of the system in the entire frequency range of the simulated current, which is absent in the analog transistor control system, where the frequency response of the device has characteristic dips and rises in different frequency ranges.

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 нагрузкиFurther, the essence of the utility model is explained using the drawings, which show: FIG. 2 is a schematic representation of a load device operating in digital mode; FIG. 3 - current in the SEC spacecraft bus, set with a quantization period of 10 el. gr .; FIG. 4 - current in the SEC spacecraft bus, set with a quantization period of 5 el. gr .; FIG. 5 is a functional diagram of a load current simulator for a BOT of spacecraft in accordance with the claimed utility model; FIG. 6 is a microcontroller operation algorithm that performs discrete control of power transistors; and in FIG. 7 - the result of mathematical modeling of a discrete current simulator, where Is (i) is the current in the BOT bus, Rs (i) is the value of the total load resistance

На Фиг. 2 цифрой 1 обозначена испытываемая система электроснабжения, 2 - блок резисторов R₀-R₃, обеспечивающих разрядность нагрузочного сопротивления, соответствующую десяткам, 3 - блок резисторов R₄-R₇, обеспечивающих разрядность сопротивления, соответствующую единицам. K₂₀-K₂₃ и K₃₀-K₃₃ - ключевые транзисторные элементы блока 2 и блока 3 соответственно.In FIG. 2 the number 1 denotes the tested power supply system, 2 - the block of resistors R ₀ -R ₃ , providing the capacity of the load resistance corresponding to tens, 3 - the block of resistors R ₄ -R ₇ , providing the capacity of the resistance corresponding to units. K ₂₀ -K ₂₃ and K ₃₀ -K ₃₃ are the key transistor elements of block 2 and block 3, respectively.

В этом случае имеется возможность задать любое значение сопротивления, с точностью до единицы, в диапазоне 1÷165 Ом (Таблица 1).In this case, it is possible to set any resistance value, accurate to unity, in the range of 1 ÷ 165 Ohms (Table 1).

Тогда диапазон возможных значений тока определяетсяThen the range of possible current values is determined

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.We divide one period of the sinusoidal current function (Fig. 1) into 36 equal time intervals (which corresponds to 10 electric gr., Per interval). To each interval we associate the instantaneous value of the sinusoidal current function. Thus, we obtain the current function defined discretely (Fig. 3). Having reduced the quantization interval by half (which corresponds to 5 electric gr., Per interval), we obtain a sinusoidal function defined discretely and having a smaller error, i.e. its appearance is smoother (Fig. 4). From the presented drawings it can be concluded that by dividing the period of the function into 360 intervals (which corresponds to 1 e-degree, per interval), the absolute error of the discrete sinusoidal function can lead to an acceptable range, i.e. the function will be close to its continuous counterpart.

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 10₁-10₅ (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.The proposed simulator of the sinusoidal load current (Fig. 5) for testing the power supply system 1 contains 5 power units, 2-6, which consist of 4 field-effect transistors and 4 load resistors. Each block corresponds to a certain digit of the decimal value of the resistance, which is determined by the supply of a combined binary decimal code from the control system 7, consisting of a microcontroller 8, a block of main preamps 9 and power amplifiers 10 ₁ -10 ₅ (drivers). The digital code of the current setpoint is received from the computer 11 via a serial interface. The current sensor 12 is included in the bus of the tested system 1. The microcontroller 8 has an analog-to-digital converter 13.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Уставка действующего значения тока синусоидальной нагрузки в виде кода Z_уст. поступает в микроконтроллер 8 от ЭВМ 11 по последовательному интерфейсу.The setting of the current value of the current of the sinusoidal load in the form of code Z _set. enters the microcontroller 8 from the computer 11 via a serial interface.

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.A feedback signal that carries information about the current in the bus of the tested BOT 1 is supplied from the current sensor 12 to the analog-to-digital converter 13 located in the case of the microcontroller 8, in order to ensure stabilization and the required accuracy of the simulated current.

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.The microcontroller 8, receiving setpoint signals and feedback signals from the current sensor 12, converts them into the necessary, in this case, 20-bit code (depends on the accuracy of the simulation of the sinusoidal current), according to the algorithm shown in FIG. 6.

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 (K₂₀, K₂₁, K₂₂, K₂₃) с выходным сопротивлением системы управления необходимо использование усилителей мощности 10₁-10₅.A parallel code of the set action is supplied to the main preamplifier block 9, which is necessary for galvanic isolation of the controller ports from the power part of the circuit and to increase the logical level (up to 15 V) in order to ensure noise immunity. To match the input resistances of power transistors (K ₂₀ , K ₂₁ , K ₂₂ , K ₂₃ ) with the output impedance of the control system, it is necessary to use power amplifiers 10 ₁ -10 ₅ .

Результат математического моделирования тока в шине СЭП КА, имитируемого дискретным способом, представлен на фиг. 7.The result of mathematical modeling of the current in the SEC spacecraft bus simulated by a discrete method is shown in FIG. 7.

Claims

A simulator of a sinusoidal load current for testing power supply systems of spacecraft, made in the form of n key transistor elements with fixed loads connected in parallel to the tested power supply system and forming several blocks, each of which corresponds to a certain digit of the decimal value of resistance, in which these key elements are controlled by the control system associated with a computer containing a test program, characterized in that as key Centers use transistors operating in a pulsed mode (class D), a current sensor is inserted into the bus of the tested power supply system, and the control system is digital, with the output of control signals of key elements in the form of binary decimal codes, while the control system contains a microcontroller connected to A computer and incorporating an analog-to-digital converter that converts the signals of the specified current sensor into a digital code, which is compared with the digital code of the setpoint of the current value supplied from the computer current, while the outputs of the specified microcontroller with the number of blocks of digits of the decimal resistance value are connected to the main preamplifiers, providing galvanic isolation of the controller ports from the power part of the circuit, the outputs of these preamplifiers are connected to power amplifiers, each of which is connected to the corresponding discharge unit of the decimal resistance value and in which the number n is determined by the necessary accuracy of simulating a sinusoidal current.