ДАТЧИК МАЛЫХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ С ЦИФРОВЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.69

ДАТЧИК МАЛЫХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ С ЦИФРОВЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ СВЯЗИ

А. В. Кочнева*, Р. А. Гончаров, Н. В. Штабель

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: nastyak131@gmail.com

В ходе работы проведено экспериментальное исследование погрешности датчика малых постоянных токов, используемого при контроле сопротивления изоляции космического аппарата.

Ключевые слова: система электропитания космического аппарата, датчик малых постоянных токов, сопротивление изоляции, токи утечки, защитное отключение.

SMALL DIRECT CURRENT SENSOR WITH DIGITAL COMMUNICATION INTERFACE

A. V. Kochneva*, R. A. Goncharov, N. V. Shtabel

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: nastyak131@gmail.com

The authors studied accuracy of small direct current sensor used for spacecraft power system insulation resistance measurements.

Keywords: spacecraft power system, small direct current sensor, insulation resistance, leakage currents, safety protection.

Одной из особенностей современных систем электропитания (СЭП) космического аппарата (КА) является связь токоведущей шины (обычно шины «минус») с корпусом. Нарушение целостности изоляции токоведущих шин и замыкание их на корпус является одной из причин отказа электрооборудования космического аппарата в ходе испытаний (КА) [1]. В ходе испытаний электрооборудования КА возможно нарушение целостности изоляции шин, и замыкание их на корпус. При этом напряжение на силовых шинах может достигать 200 В, величина токов при коротком замыкании может составлять до 100-150 А. Это может угрожать жизни и здоровью персонала, а также привести к аварийной ситуации и повреждению дорогостоящего оборудования, поэтому обнаружение токов утечки и контроль целостности изоляции необходимы для обеспечения безопасности персонала и предотвращения повреждения оборудования КА и испытательного оборудования.

Для контроля сопротивления изоляции используются датчики напряжения и токов утечки (ДНТУ). Измерение сопротивления изоляции при помощи данных датчиков основано на измерении разностных токов в каждой из токоведущих шин. При появлении любой утечки на корпус разность токов в плюсовой и минусовой шинах будет отлична от нуля, что позволяет оценить сопротивление изоляции шины и предотвратить аварийную ситуацию.

В качестве ДНТУ используются бесконтактные датчики с кольцевым магнитопроводом [2]. Это позволяет измерять разность токов в двух шинах с высокой точностью, которая достигает десятков микроампер, при этом величина токов, протекающих через шину практически не влияет на результат измерения.

Представленные на рынке датчики малых токов в большинстве своем имеют низкое быстродействие [2], что ограничивает их применение в устройствах защиты. Поэтому было решено разработать собственный датчик.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 2

Существует множество методов для бесконтактного измерения тока, однако в промышленности наиболее широко применяются три: магниторезистивный, на основе эффекта Холла и на основе магнитной модуляции [3].

Характерной особенностью магниторезистивных датчиков является дешевизна и линейность характеристики, к недостаткам можно отнести потери, вносимые в цепь измерения, саморазогрев при больших токах, снижающий точность измерения.

Датчики на эффекте Холла обладают рядом преимуществ: высокая точность в широком частотном диапазоне, линейность и низкий температурный дрейф, небольшая масса и предельно низкое энергопотребление, наличие гальванической развязки измерительного сигнала от первичной цепи. Но имеются и недостатки - это дрейф начального выходного тока и ограниченная чувствительность в области малых токов (менее 1 А).

Датчики на основе магнитной модуляции позволяют достичь более высокой точности по сравнению с датчиками на эффекте Холла, имеют очень малое смещение нуля, относительно просты в реализации. Авторами была смоделирована схема датчика на основе магнитной модуляции (рис. 2) по структурной схеме (рис. 1). Отличительной особенностью датчика является цифровой интерфейс связи. В ходе разработки стоял выбор между двумя интерфейсами связи: RS-485 и CAN. Недостатком интерфейса RS-485 является необходимость наличия главного устройства в сети, без которого одновременная отправка сообщений устройствами может привести к коллизии. В интерфейсе CAN такой проблемы нет, так как на шине осуществляется автоматический арбитраж сообщений, при котором приоритет получает сообщение от одного отправителя. Это позволяет повысить надежность связи, так как работоспособность сети перестает зависеть от состояния главного устройства, все датчики являются равноправными.

Рис. 1. Структура датчика на основе магнитной модуляции. КМП - компаратор; МК - микроконтроллер; ФНЧ - фильтр низких частот; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; иоп - опорное напряжение; СНК - система на кристалле; Rкомп - резистор компенсации; 1комп - ток компенсации; 1воз - ток обмотки возбуждения; CAN - модуль связи по шине CAN

При моделировании сердечника в Micro-cap была использована модель Джилса-Аттертона со следующими характеристиками: длина магнитной линии 6,8 см, площадь сечения сердечника 0,15 см2, A = 0,1 А/м, K = 0,2, C = 0,001, MS = 270 КА/м. В схеме применяется фильтр Саллена-

Ки, для него была рассчитана частота по формуле FC = 1/ 2n^R1R2C1C2. Частота фильтра равна

410 Гц, на частоте работы датчика дает ослабление сигнала около -40 дБ.

Было проведено экспериментальное исследование датчика и полученной модели. Частота модуляции при моделировании составила 1,11 кГц, на макете датчика 1,16 кГц. Было проведено сравнение характеристик макета датчика и модели, таких как коэффициент передачи, погрешность измерения тока, график погрешности показан на рис. 3.

Рис. 2. Модель датчика в Micro-cap. L2, K1 - обмотка возбуждения, сердечник; I1, L1 - проводник с измеряемым током; X1,X2,X7,U1 - мультивибратор; X6,X8 - выходной фильтр

0.060000 п пдлооп —•—Д1модел ь —■—Д1макет

и. ич-ииии / ОшОООО

п пплллл / Ъ^*—*—1

000 -10. 000 ■V -5.1 /ш U.LfLrUUUUi ж jr^0.020000 -0.040000 n ftfiriftftft 00 5.0 \l0^00 15.

-0.080000

Измеряемый ток, мА

Рис. 3. Сравнение характеристик датчика и модели

Предлагаемый датчик обеспечивает приемлемую погрешность в диапазоне частот до 400 Гц, в схеме применяется малое число компонентов за счет использования системы на кристалле, связь по шине CAN обеспечивает быстрое построение сети датчиков без применения внешних измерительных комплексов, применение датчика позволяет снизить время срабатывания защиты до величин порядка 5.. .10 мс.

Библиографические ссылки

1. Федосов В.В. Надежность систем автоматического управления. Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет, 2011. 359 с.

2. SLD1 sensor. URL: http://ldtn.ru/system/product/168/SLD1.pdf. (дата обращения 01.02.2019).

3. Current Sensing Techniques: A Review / S. Ziegler, R. Woodward, H.H.-C Iu и др. // IEEE Sensors Journal. 2009. №9. C. 354-376.

© Кочнева А. В., Гончаров Р. А., Штабель Н. В., 2019