一种动量轮最大反作用力矩测试方法及测试装置

摘要

为了解决现有动量轮最大反作用力矩测试方法测量结果不准确，以及不能对动量轮的力矩输出性能作出全面评价的技术问题，本发明提供了一种动量轮最大反作用力矩测试方法及测试装置。其中，方法包括：1】测试被测动量轮的线性转速‑转速遥测电压特性；2】定义最大反作用力矩的四种测试模式；3】从四种测试模式中，选取一种测试模式，获得当前测试模式下，被测动量轮的转速特性信息；4】计算当前测试模式下，被测动量轮的最大反作用力矩；5】判断是否遍历完成所有测试模式，若否，返回步骤3】；若是，结束测试流程。本发明通过动量轮的转速特性计算动量轮的最大反作用力矩，消除了摩擦力矩对测试结果的影响，测量精度高。

权利要求

1.一种动量轮最大反作用力矩测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】测试被测动量轮的线性转速-转速遥测电压特性：

1.1】在用于控制被测动量轮转动的控制指令电压的取值范围内，等间隔取样n个采样点，将采样的控制指令电压记为V1，V2，…，Vi，…，Vn；

1.2】依次向被测动量轮施加步骤1.1】取样的控制指令电压Vi，待被测动量轮运动稳定后，测量稳态下被测动量轮的转速脉冲频率Pi和转速遥测电压vi，i＝1，2，…，n；

1.3】计算各控制指令电压Vi下，被测动量轮的稳态转速wi：式中，M为被测动量轮转动一周产生脉冲的个数；

1.4】建立被测动量轮的线性转速-转速遥测电压模型wi＝kw·Vi+w0，得到kw和w0：式中，kw为被测动量轮转速对控制指令电压的灵敏度系数，w0为被测动量轮转在控制指令电压为零时的稳态转速；

2】定义最大反作用力矩的四种测试模式：

测试模式1：初始状态为被测动量轮转速为零；终止状态为被测动量轮转速为正向最高转速；

测试模式2：初始状态为被测动量轮转速为零；终止状态为被测动量轮转速为负向最高转速；

测试模式3：初始状态为被测动量轮转速为正向最高转速；终止状态为被测动量轮转速为零；

测试模式4：初始状态为被测动量轮转速为负向最高转速；终止状态被测动量轮转速为零；

3】从所述四种测试模式中，选取一种测试模式，获得当前测试模式下，被测动量轮的转速特性信息：使被测动量轮处于当前测试模式的初始状态，连续测量并记录被测动量轮的转速遥测电压，以及施加在被测动量轮上的控制指令电压，直至被测动量轮处于当前测试模式的终止状态，所记录的数据为：tj、uj、Uj，j＝1，2，…，m，其中：tj为第j个采样点对应的采样时刻；

uj为第j个采样点对应的施加在被测动量轮上的控制指令电压；

Uj 为第j个采样点对应的被测动量轮的转速遥测电压；

4】计算当前测试模式下，被测动量轮的最大反作用力矩：

4.1】根据步骤1.4】得到的被测动量轮的线性转速-转速遥测电压模型和步骤3】记录的转速遥测电压Uj ，计算被测动量轮在各采样时刻t j 的转速wj ，具体计算公式如下：wj＝kw·Uj+w0

4.2】对tj，wj序列用N阶多项式进行拟合，得到动量轮的时间-转速关系式，记为：N取5、6、7或8；

4.3】计算动量轮在各采样时刻tj对应的角加速度 具体计算公式如下：

4.4】取动量轮封盖前测得的动量轮转子的转动惯量J，计算动量轮在各采样时刻tj对应的最大反作用力矩L(tj)，具体计算公式如下：

4.5】以转速wj为横坐标，以最大反作用力矩L(tj)为纵坐标，绘制转速-最大反作用力矩曲线，即得到了当前测试模式的整个转速范围内，动量轮的最大反作用力矩；

5】判断是否遍历完成所有测试模式，若否，返回步骤3】；若是，结束测试流程。

2.一种实现权利要求1所述的动量轮最大反作用力矩测试方法的动量轮最大反作用力矩测试装置，其特征在于：包括计算机、线路盒、频率计和多通道示波器；

计算机用于向线路盒发送控制指令，对频率计和多通道示波器测量记录的数据进行处理，获取被测动量轮的转速-转速遥测电压线性模型以及被测动量轮在各模式下的最大反作用力矩；

线路盒用于根据计算机发送的控制指令，生成用于控制被测动量轮转动的控制指令电压；

频率计用于测量被测动量轮的转速脉冲频率；

多通道示波器用于连续测量并记录被测动量轮的转速遥测电压以及线路盒产生的控制指令电压。

说明书

一种动量轮最大反作用力矩测试方法及测试装置

技术领域

[0001] 本发明属于测试技术领域，涉及一种动量轮最大反作用力矩测试方法及测试装置。

背景技术

[0002] 动量轮作为卫星姿态控制的执行部件，在卫星控制领域广泛应用，是实现卫星姿态闭环控制的重要环节。在卫星平台上配备的动量轮可以通过自身转动，实现卫星姿态的连续精密调节。随着卫星应用领域的不断拓展，星上载荷的类型也日益丰富，对转动机构的需求越来越大，星上的旋转部件越来越多，旋转部件的惯量越来越大，转速也越来越快。星上旋转部件在转动时会形成旋转轴轴向的干扰力矩和干扰角动量，为保证卫星姿态的控制精度，需要通过在卫星上配置动量轮，通过动量轮同步反向旋转的方式，抵消载荷旋转产生的干扰力矩和干扰角动量，这是动量轮的另一重要应用。动量轮的最大反作用力矩、力矩输出精度和力矩分辨率等性能直接影响卫星平台的总体性能及载荷效能。最大反作用力矩表征了动量轮的最大力矩平衡能力，需要重点关注。在本领域中，所述的最大反作用力矩是指：动量轮工作在某一特定转速时，通过加/减速能够对卫星平台输出的最大力矩。测试动量轮的最大反作用力矩需要在不同转速下进行，获得动量轮在整个工作转速范围内任一转速下的最大反作用力矩。

[0003] 由于动量轮是一个带有密闭外壳的整体，其转动体全部密闭在壳体内，没有延伸出来的轴，不能直接连接扭矩传感器，所以最大反作用力矩测试困难。目前对动量轮最大反作用力矩的测试和控制手段主要有：1、在动量轮壳体安装之前，测试电机组件的峰值堵转转矩，作为动量轮的最大反作用力矩。2、测试电机绕组电流，再乘以电机力矩系数，计算得到动量轮最大反作用力矩。

[0004] 以上两种方法均忽略了摩擦力矩，实际上摩擦力矩的影响是不容忽略的，因此以上两种方法得到的最大反作用力矩不准确。其次，以上两种方法只能得到动量轮转速为零时的最大反作用力矩，无法得到动量轮不同转速下的最大反作用力矩，不能对动量轮的力矩输出性能作出全面评价。

发明内容

[0005] 为了解决现有动量轮最大反作用力矩测试方法测量结果不准确，以及不能对动量轮的力矩输出性能作出全面评价的技术问题，本发明提供了一种动量轮最大反作用力矩测试方法及测试装置。

[0006] 本发明的技术方案是：

[0007] 一种动量轮最大反作用力矩测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[0008] 1】测试被测动量轮的线性转速-转速遥测电压特性：

[0009] 1.1】在用于控制被测动量轮转动的控制指令电压的取值范围内，等间隔取样n个采样点，将采样的控制指令电压记为V1，V2，…，Vi，…，Vn；

[0010] 1.2】依次向被测动量轮施加步骤1.1】取样的控制指令电压Vi，待被测动量轮运动稳定后，测量稳态下被测动量轮的转速脉冲频率Pi和转速遥测电压vi，i＝1，2，…，n；

[0011] 1.3】计算各控制指令电压Vi下，被测动量轮的稳态转速wi：

[0012]

[0013] 式中，M为被测动量轮转动一周产生脉冲的个数；

[0014] 1.4】建立被测动量轮的线性转速-转速遥测电压模型wi＝kw·Vi+w0，得到kw和w0：

[0015]

[0016] 式中，kw为被测动量轮转速对控制指令电压的灵敏度系数，w0为被测动量轮转在控制指令电压为零时的稳态转速；

[0017] 2】定义最大反作用力矩的四种测试模式：

[0018] 测试模式1：初始状态为被测动量轮转速为零；终止状态为被测动量轮转速为正向最高转速；

[0019] 测试模式2：初始状态为被测动量轮转速为零；终止状态为被测动量轮转速为负向最高转速；

[0020] 测试模式3：初始状态为被测动量轮转速为正向最高转速；终止状态为被测动量轮转速为零；

[0021] 测试模式4：初始状态为被测动量轮转速为负向最高转速；终止状态被测动量轮转速为零；

[0022] 3】从所述四种测试模式中，选取一种测试模式，获得当前测试模式下，被测动量轮的转速特性信息：

[0023] 使被测动量轮处于当前测试模式的初始状态，连续测量并记录被测动量轮的转速遥测电压，以及施加在被测动量轮上的控制指令电压，直至被测动量轮处于当前测试模式的终止状态，所记录的数据为：

[0024] tj、uj、Uj，j＝1，2，…，m，其中：

[0025] tj为第j个采样点对应的采样时刻；

[0026] uj为第j个采样点对应的施加在被测动量轮上的控制指令电压；

[0027] Uj为第j个采样点对应的被测动量轮的转速遥测电压；

[0028] 4】计算当前测试模式下，被测动量轮的最大反作用力矩：

[0029] 4.1】根据步骤1.4】得到的被测动量轮的线性转速-转速遥测电压模型和步骤3]记录的转速遥测电压Uj，计算被测动量轮在各采样时刻tj的转速wj，具体计算公式如下：

[0030] wj＝kw·Uj+w0

[0031] 4.2】对tj，wj序列进行拟合，得到动量轮的时间-转速关系式，记为：

[0032] 4.3】计算动量轮在各采样时刻tj对应的角加速度 具体计算公式如下：

[0033]

[0034] 4.4】取动量轮封盖前测得的动量轮转子的转动惯量J，计算动量轮在各采样时刻tj对应的最大反作用力矩L(tj)，具体计算公式如下：

[0035]

[0036] 4.5】以转速wj为横坐标，以最大反作用力矩L(tj)为纵坐标，绘制转速-最大反作用力矩曲线，即得到了当前测试模式的整个转速范围内，动量轮的最大反作用力矩；

[0037] 5】判断是否遍历完成所有测试模式，若否，返回步骤3】；若是，结束测试流程。

[0038] 进一步地，所述步骤4.2】中是用N阶多项式对tj，wj序列进行拟合，N取5、6、7或8。

[0039] 本发明还提供了一种实现上述的动量轮最大反作用力矩测试方法的动量轮最大反作用力矩测试装置，其特殊之处在于：包括计算机、线路盒、频率计和多通道示波器；

[0040] 计算机用于向线路盒发送控制指令，对频率计和多通道示波器测量记录的数据进行处理，获取被测动量轮的转速-转速遥测电压线性模型以及被测动量轮在各模式下的最大反作用力矩；

[0041] 线路盒用于根据计算机发送的控制指令，生成用于控制被测动量轮转动的控制指令电压；

[0042] 频率计用于测量被测动量轮的转速脉冲频率；

[0043] 多通道示波器用于连续测量并记录被测动量轮的转速遥测电压以及线路盒产生的控制指令电压。

[0044] 本发明的优点：

[0045] 1、本发明是通过动量轮的转速特性计算动量轮的最大反作用力矩，而动量轮的转速特性是测试得到的，是摩擦力矩作用后的结果，因此消除了摩擦力矩对测试结果的影响，测量精度高。

[0046] 2、能够给出多种工作模式下，动量轮在不同转速下的最大反作用力矩，能够对动量轮的力矩输出特性作出全面准确的评价。

[0047] 3、测试装置简单易实现，没有特别复杂昂贵的设备，均为通用设备，成本低。

附图说明

[0048] 图1是本发明动量轮最大反作用力矩测试方法流程图。

[0049] 图2是本发明测量装置在测量机电一体化动量轮转速-转速遥测电压特性时的组成和连接关系示意图。

[0050] 图3是本发明测量装置在测量非机电一体化动量轮转速-转速遥测电压特性时的组成和连接关系示意图。

[0051] 图4是本发明测量装置在测量机电一体化动量轮最大反作用力矩时的组成和连接关系示意图。

[0052] 图5是本发明测量装置在测量非机电一体化动量轮最大反作用力矩时的组成和连接关系示意图。

[0053] 附图标记说明：

[0054] 1-计算机，2-线路盒，3-被测动量轮，4-频率计，5-多通道示波器。

具体实施方式

[0055] 以下结合附图对本发明作进一步说明。

[0056] 本发明提供的动量轮最大反作用力矩测试装置，包括：计算机1、线路盒2、频率计4和多通道示波器5。

[0057] 计算机1的功能是向线路盒2发送控制指令，对频率计4和多通道示波器5记录的数据进行处理，得到被测动量轮3的转速-转速遥测电压线性模型，以及得到被测动量轮3在各模式下的最大反作用力矩。

[0058] 线路盒2的功能是根据计算机1的控制指令，产生控制指令电压，以控制被测动量轮3转动。

[0059] 被测动量轮3为被测试对象，根据结构组成形式，被测动量轮3可划分为机电一体化动量轮和非机电一体化动量轮。机电一体化动量轮的动量轮轮体和驱动电路集成在一起，共用一个对外的机械接口和电气接口；非机电一体化动量轮的动量轮轮体和驱动电路是独立的两个单元，两者之间线性连接，两者分别具有各自的对外机械接口和电气接口。

[0060] 频率计4的功能是测量被测动量轮3的转速脉冲频率。“转速脉冲频率”是与动量轮转速成线性关系的，动量轮转速越快则其转速脉冲频率越高。“动量轮转动一周产生的脉冲个数”是固定的，不随动量轮转速变化。如果“动量轮转动一周产生的脉冲个数”为a，动量轮每秒钟转动b转，则转速脉冲频率为a*b。

[0061] 多通道示波器5的功能是连续测量并记录被测动量轮3的转速遥测电压，以及线路盒2产生的控制指令电压。

[0062] 在进行被测动量轮转速-转速遥测电压特性测试时，对于机电一体化动量轮设备连接关系如图2所示，对于非机电一体化动量轮设备连接关系如图3所示。计算机1与线路盒2电连接，计算机1向线路盒2发送控制指令。线路盒2与被测动量轮3电连接，线路盒2对被测动量轮3施加控制指令电压。被测动量轮3与频率计4电连接，频率计4用于测量被测动量轮3的转速脉冲频率。被测动量轮3与多通道示波器5电连接，多通道示波器5用于连续测量并记录被测动量轮3的转速遥测电压信号。

[0063] 在进行被测动量轮3最大反作用力矩测试时，对于机电一体化动量轮设备连接关系如图4所示，对于非机电一体化动量轮设备连接关系如图5所示。计算机1与线路盒2电连接，计算机1向线路盒2发送控制指令。线路盒2与被测动量轮3电连接，线路盒2对被测动量轮3施加控制指令电压。线路盒2与多通道示波器5电连接，多通道示波器5用于连续测量并记录线路盒2输出的控制指令电压。被测动量轮3与多通道示波器5电连接，多通道示波器5用于连续测量并记录被测动量轮3的转速遥测电压信号。

[0064] 如图1所示，本实施例所提供的动量轮最大反作用力矩测试方法，包括如下步骤：

[0065] 1]测试被测动量轮3的转速-转速遥测电压特性；

[0066] 1.1]对于机电一体化动量轮按图2所示布局并连接设备，对于非机电一体化动量轮按图3所示布局并连接设备；

[0067] 1.2]在用于控制被测动量轮3转动的控制指令电压的取值范围内，等间隔取样n个采样点，取样的控制指令电压记为V1，V2，…，Vi，…，Vn；

[0068] 1.3]通过计算机1向线路盒2发送控制指令，使线路盒2依次产生控制指令电压Vi，并施加到被测动量轮3，i分别取1，2，…，n；

[0069] 1.4]待被测动量轮3运动稳定后，记录频率计4测得的转速脉冲频率Pi，记录多通道示波器5测得的转速遥测电压vi；

[0070] 1.5]计算各控制指令电压Vi下，动量轮的稳态转速wi，计算公式如下：

[0071]

[0072] 式中，M为动量轮转动一周产生脉冲的个数。

[0073] 1.6]建立被测动量轮线性转速-转速遥测电压模型wi＝kw·Vi+w0，kw和w0的计算公式如下：

[0074]

[0075]

[0076] 式中，kw为被测动量轮转速对控制指令电压的灵敏度系数，w0为被测动量轮转在控制指令电压为零时的稳态转速；

[0077] 2]定义最大反作用力矩的四种测试模式：

[0078] 测试模式1：初始状态为用于控制被测动量轮转动的控制指令电压为零，动量轮转速为零；终止状态为所述控制指令电压为正向最大控制指令电压，动量轮转速为正向最高转速。

[0079] 测试模式2：初始状态为用于控制被测动量轮转动的控制指令电压为零，动量轮转速为零；终止状态为所述控制指令电压为负向最大控制指令电压，动量轮转速为负向最高转速。

[0080] 测试模式3：初始状态为用于控制被测动量轮转动的控制指令电压为正向最大控制指令电压，动量轮转速为正向最高转速；终止状态为所述控制指令电压为零，动量轮转速为零。

[0081] 测试模式4：初始状态为用于控制被测动量轮转动的控制指令电压为负向最大控制指令电压，动量轮转速为负向最高转速；终止状态为所述控制指令电压为零，动量轮转速为零。

[0082] 3]获得测试模式1下被测动量轮的转速特性信息：

[0083] 3.1]对于机电一体化动量轮按图4所示布局并连接设备，对于非机电一体化动量轮按图5所示布局并连接设备。

[0084] 3.2]在测试模式1下，测试动量轮的转速特性信息：

[0085] 计算机1向线路盒2发送使动量轮停止转动的控制指令，线路盒2根据收到的控制指令，产生用于控制动量轮转动的控制指令电压，进而控制动量轮使其转速为零，即使被测动量轮处于当前测试模式的初始状态；

[0086] 多通道示波器5的一个通道连续测量并记录线路盒2向动量轮所施加的控制指令电压，多通道示波器5的另一个通道连续测量并记录被测动量轮3的转速遥测电压；

[0087] 计算机1向线路盒2发送使动量轮以正向最高转速运动的控制指令，线路盒2根据所收到的控制指令，产生用于控制动量轮转动的正向最大的控制指令电压，进而控制动量轮使其转速为正向最高转速，即使被测动量轮处于当前测试模式的终止状态；

[0088] 多通道示波器5记录从初始状态到终止状态的完整数据，记录数据记为tj、uj、Uj，j＝1，2，…，m，其中：

[0089] tj为第j个采样点对应的采样时刻；

[0090] uj为第j个采样点对应的线路盒2发送的控制指令电压；

[0091] Uj为第j个采样点对应的被测动量轮3的转速遥测电压。

[0092] 4]计算测试模式1下，被测动量轮的最大反作用力矩；

[0093] 4.1]根据步骤1.6]得到的动量轮的线性转速-转速遥测电压模型和步骤3.2]记录的转速遥测电压Uj，计算动量轮在各采样时刻tj的转速wj，具体计算公式如下：

[0094] wj＝kw·Uj+w0

[0095] 4.2]用N阶多项式(N取5，6，7或8)对tj，wj序列进行拟合，得到动量轮的时间-转速关系式，记为：

[0096] 式中，ak为多项式w(t)的tk项的拟合系数；

[0097] 4.3]计算动量轮在各采样时刻tj对应的角加速度 具体计算公式如下：

[0098]

[0099] 4.4]取动量轮封盖前测得的动量轮转子的转动惯量J，计算动量轮在各采样时刻tj对应的最大反作用力矩L(tj)，具体计算公式如下：

[0100]

[0101] 4.5]以转速wj为横坐标，以最大反作用力矩L(tj)为纵坐标，绘制转速-最大反作用力矩曲线，这样就得到了整个转速范围内，动量轮的最大反作用力矩，实现动量轮的最大反作用力矩的全面测试和评价。

[0102] 5]重复步骤3]～4]，分别得到测试模式2、测试模式3、测试模式4下被测动量轮3的最大反作用力矩。