CN102072796A - 太阳能电池阵动态测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池技术领域的太阳能电池阵动态测量系统,包括:数据采集模块、测量控制模块、驱动机构控制及通讯模块、模拟负载机械组建模块和专用机械接口工装,数据采集模块与测量控制模块相连接并传输测量控制模块测得的电压数据,测量控制模块与驱动机构控制及通讯模块相连接并传输驱动命令,专用机械接口工装与数据采集模块和驱动机构控制及通讯模块相连接,模拟负载机械组建模块与驱动机构相连接实现太阳能电池阵的模拟。

Description

太阳能电池阵动态测量系统
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种太阳能电池技术领域的装置,具体是一种用于卫星平台的太 阳能电池阵动态测量系统。
背景技术
[0002] 大型太阳能电池阵转动惯量大,运行时可能会对航天器姿态产生不利影响,反过 来影响星载设备的性能。因此美国国家研究理事会在《新世纪太空技术》报告中将“在失重 条件下使各种柔性结构、天线和望远镜保持稳定”列为影响太空探索的六大关键技术之一。 在卫星中,典型的大型太阳能电池阵是太阳能电池阵。
[0003] 卫星的能源主要来自太阳能电池阵,在卫星运行过程中,太阳能电池阵将通过电 机驱动机构完成对日定向。譬如采用高自定位扭矩步进电机来驱动太阳能电池阵,使太阳 能电池阵电池面始终朝向太阳,以保证卫星平台得到所需的能源。
[0004] 由于太阳能电池阵展开后具有较大转动惯量,在运行中会对卫星姿态产生明显影 响。太阳能电池阵两翼展开可达十余米,在驱动机构作用下运行产生的干扰扭矩可能会改 变卫星平台姿态或使其产生振动,而卫星平台姿态的变化和产生的振动不但会影响星载设 备工作,而且会造成驱动结构疲劳破坏,导致系统性能下降甚至失效,直接威胁航天结构的 安全。在某些卫星上采用了不对称太阳能电池阵,在这种情形下太阳能电池阵的影响就更 复杂了。
[0005] 解决该问题,首先要在设计阶段对卫星进行优化设计,通过对太阳能电池阵运行 过程中产生的力、扭矩和动量矩等动态参数的测量,为卫星优化设计提供参数依据。之所以 采用测量方法是因为理论分析无法精确计算出太阳电池阵产生的影响。
[0006] 为了测量驱动机构对安装平面产生的力和扭矩,需要测量驱动机构有效载荷 量(质量、质心、转动惯量、转速等)以及驱动机构安装面的动态特性(力、扭矩、动量 矩)。其中有效载荷量测量系统有成熟的产品,如美国航空航天设备主要制造商Space Electronics和孝感试验检测设备厂均有相关产品,许多航天单位已经配备。
[0007] 动态参数测量系统要在模拟太阳电池阵旋转和振动的情形下测量驱动机构对安 装平面产生的力和扭矩,是一种航天专用的测量系统。虽然在中巴地球资源卫星仿真中曾 研制过太阳能电池阵一次扭转频率和等效惯量模拟器,进行过绕卫星俯仰轴的轮控试验, 但主要用于分析太阳能电池阵和驱动机构的谐振问题。
[0008] 经过对现有技术的检索发现,文章《带大惯量负载的空间驱动机构运动特性分析》 (庞微南京航空航天大学)中提到了一种应用ADAMS软件对大惯量负载空间驱动机构进行 建模和运动分析的方法,并给出了一定条件下的仿真结果。但是该现有技术只适用于理论 分析,不能包括现实卫星太阳能电池阵动态影响的地面模拟中由于机械加工和安装等造成 的影响,而且仅通过理论分析,不将测量手段应用于整个卫星太阳能电池阵动态影响的地 面模拟系统中进行实际的试验不能保证结果的正确性。发明内容
[0009] 本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种太阳能电池阵动态测量系统。
[0010] 本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括:数据采集模块、测量控制模块、 驱动机构控制及通讯模块、模拟负载机械组建模块和专用机械接口工装,其中:数据采集 模块与测量控制模块相连接并传输测量控制模块测得的电压数据,测量控制模块与驱动机 构控制及通讯模块相连接并传输驱动命令,专用机械接口工装与数据采集模块和驱动机构 控制及通讯模块相连接,模拟负载机械组建模块与驱动机构相连接实现太阳能电池阵的模 拟。
[0011] 所述的模拟负载机械组建模块包括:模拟负载、支架、驱动机构支撑平台和底座, 其中:模拟负载安装于支架上通过法兰与驱动机构连接,支架和驱动机构支撑平台安装于 地面纯钢制成的底座上。
[0012] 所述的模拟负载为45#钢材质的对称圆盘,其绕中心转动惯量为78KG女m2,用来 模拟太阳能电池阵的转动惯量。
[0013] 所述的驱动机构支撑平台包括:钢制支架和垫板,其中:钢制支架固定于地面纯 钢底座上,垫板固定于支架上,不同的垫板适用于不同的驱动机构使驱动机构轴心与负载 轴系中心保持一致。
[0014] 所述的专用机械接口工装包括:传感器上板和传感器下板,其中:传感器下板连 接驱动机构垫板与传感器,传感器下板连接传感器与驱动机构。上下两板均按照不同的驱 动机构设计螺孔。
[0015] 所述的驱动机构控制及通讯模块包括:驱动机构、驱动机构控制块以及通讯接 口,其中:驱动机构安装于专用机械接口工装的传感器上板上,驱动机构控制块安装于系 统底座上并通过数据电缆与驱动机构相连接,通讯接口安装于驱动机构控制模块上并通过 RS-232传输数据线与工控机相连。
[0016] 所述的驱动机构,负责驱动太阳能电池阵工作,驱动机构的种类繁多,驱动机构由 驱动机构控制块控制。
[0017] 所述的驱动机构控制块,是针对每个驱动机构特制的,控制块可以进行可视化操 作,可以通过正反转按钮控制驱动机构运行方向,通过数字按键设定不同频率的转速,并采 用PWM波细分驱动方式精确控制驱动机构工作。
[0018] 所述的通讯接口,采用按RS-232通信标准,位传输速率为115. 2Kbps,该接口传输 的每个字节共11位,分别为:1位起始位、8位数据位、1位校验位和1位停止。步进电机驱 动电源每Is向上位机反馈一次当前执行的控制指令。
[0019] 所述的数据采集模块,包括;高精度六自由度力-扭矩传感器和高速数据采集卡。
[0020] 本发明涉及上述系统的测量方法,包括以下步骤:
[0021] 第一步、安装底座、支架和模拟负载。
[0022] 第二步、依次安装驱动机构支架、驱动机构垫板、传感器下板、传感器和传感器上 板。
[0023] 第三步、安装驱动机构及法兰,并通过高度尺、水平尺等工具测量驱动机构法兰与 模拟负载之间的高度和水平位置。并通过增减垫片调节直至其相对应后连接驱动机构法兰 与模拟负载。[0024] 第四步、连接驱动机构与驱动机构控制块驱动电缆,连接驱动机构控制块与工控 机传输电缆,连接传感器高屏蔽电缆与工控机数据采集卡接口。
[0025] 第五步、接通电源,运行太阳能电池阵动态测量系统测量软件,控制驱动机构转动 并采集数据。
附图说明
[0026] 图1为本发明结构示意图。
[0027] 图2为实施例示意图。
具体实施方式
[0028] 下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0029] 如图1和图2所示,本实施例包括:数据采集模块1、测量控制模块2、驱动机构14 控制及通讯模块3、模拟负载6机械组建模块4和专用机械接口工装5,其中:数据采集模块 1与测量控制模块2相连接并传输测量控制模块2测得的电压数据,测量控制模块2与驱动 机构14控制及通讯模块3相连接并传输驱动命令,专用机械接口工装5与数据采集模块1 和驱动机构14控制及通讯模块3相连接用于实现将驱动机构14放置于传感器17上的工 装接口连接,模拟负载6机械组建模块4与驱动机构14相连接实现太阳能电池阵的模拟。
[0030] 所述的模拟负载6机械组建模块4包括:模拟负载6、支架7、驱动机构14支撑平 台8和底座9,其中:模拟负载6安装于支架7上通过法兰与驱动机构14连接,支架7和驱 动机构14支撑平台8安装于地面纯钢制成的底座9上。
[0031] 所述的模拟负载6为45#钢材质的对称圆盘,其绕中心转动惯量为78KG女m2,用 来模拟太阳能电池阵的转动惯量。
[0032] 所述的驱动机构14支撑平台8包括:钢制支架10和垫板11,其中:钢制支架10 固定于地面纯钢底座9上,垫板11固定于支架7上,不同的垫板11适用于不同的驱动机构 14使驱动机构14轴心与负载轴系中心保持一致。
[0033] 所述的专用机械接口工装5包括:传感器17上板12和传感器17下板13,其中: 传感器17下板13连接驱动机构14垫板11与传感器17,传感器17上板12连接传感器17 与驱动机构14。上下两板均按照不同的驱动机构14设计螺孔。
[0034] 所述的驱动机构14控制及通讯模块3包括:驱动机构14、驱动机构控制块15以 及通讯接口 16,其中:驱动机构14安装于专用机械接口工装5的传感器17上板12上,驱 动机构控制块15安装于系统底座9上并通过数据电缆与驱动机构14相连接,通讯接口 16 安装于驱动机构14控制模块2上并通过RS-232传输数据线与工控机相连。
[0035] 所述的驱动机构14,负责驱动太阳能电池阵工作,驱动机构14的种类繁多,驱动 机构14由驱动机构控制块15控制。
[0036] 所述的驱动机构控制块15,是针对每个驱动机构14特制的,控制块可以进行可视 化操作,可以通过正反转按钮控制驱动机构14运行方向,通过数字按键设定不同频率的转 速,并采用PWM波细分驱动方式精确控制驱动机构14工作。[0037] 所述的通讯接口 16,采用按RS-232通信标准,位传输速率为115. 2Kbps,该接口传 输的每个字节共11位,分别为:1位起始位、8位数据位、1位校验位和1位停止。步进电机 驱动电源每Is向上位机反馈一次当前执行的控制指令。
[0038] 所述的数据采集模块1,包括;高精度六自由度力-扭矩传感器17和高速数据采 集卡18,其中:六自由度力-扭矩传感器17,所述的高精度六自由度力-扭矩传感器17选 择美国ATI公司MINI40系列六自由度力/扭矩传感器17 (F/T),此传感器17采用非接触式 扭矩传感技术,可以测量精确全方位的力和扭矩共6个分量(Fx、Fy、Fz, Tx、Ty、Tz),针对 此实施例,具体型号选择ATI MINI40SI-80-4型号。根据传感器17厂家推荐和项目要求, 本实施例将采用NI公司PCI-6220M实现对六维力/扭矩信号的测量,该卡为高速率M系列 数据采集卡18,16-Bit,采样率250KS/S (多通道),16路模拟输入,有多个信号调理选项,具 有相当高的动态精度和同步采样功能。上位机选用的是研华公司的一款工控机。
[0039] 如图2所示,本系统的测量方法,包括以下步骤:
[0040] 第一步、安装底座9、支架7和模拟负载6。
[0041] 第二步、依次安装驱动机构14支架7、驱动机构14垫板11、传感器17下板13、传 感器17和传感器17上板12。
[0042] 第三步、安装驱动机构14及法兰,并通过高度尺、水平尺等工具测量驱动机构14 法兰与模拟负载6之间的高度和水平位置。并通过增减垫片调节直至其相对应后连接驱动 机构14法兰与模拟负载6。
[0043] 第四步、连接驱动机构14与驱动机构控制块15驱动电缆,连接驱动机构控制块15 与工控机传输电缆,连接传感器17高屏蔽电缆与工控机数据采集卡18接口。
[0044] 第五步、接通电源,运行太阳能电池阵动态测量系统测量软件,控制驱动机构14 转动并采集数据。
[0045] 在太空地面模拟实验中一般需使用气浮平台模拟太空中的悬浮物体,测试精度较 高。但气浮平台需要供气装置,且对气浮部分加工精度要求很高,整个装置成本高,设备复 杂,调试和操作困难。
[0046] 与目前精度很高的气浮装置测量技术相比,所述的太阳能电池阵动态测量系统具 有成本低,加工、安装容易,调试和操作简单的特点。针对国家现有理论提出的技术指标,所 述的太阳能电池阵动态测量系统采用六自由度传感器,在高精度机械工装加工和安装的基 础上,测量得到的数据满足全部技术指标,部分技术指标超额达标,具体国家技术指标和本 发明测量数据指标情况如下表:
[0047]
名称 理论技术指标 实测结果力测量范围 0 〜200N 0 〜200N力测量精度 优于5% 优于1.2%力矩测量范围 0 〜5Nm 0 〜IONm
Figure CN102072796AD00071

Claims (7)

1. 一种太阳能电池阵动态测量系统,其特征在于,包括:数据采集模块、测量控制模 块、驱动机构控制及通讯模块、模拟负载机械组建模块和专用机械接口工装,其中:数据采 集模块与测量控制模块相连接并传输测量控制模块测得的电压数据,测量控制模块与驱动 机构控制及通讯模块相连接并传输驱动命令,专用机械接口工装与数据采集模块和驱动机 构控制及通讯模块相连接,模拟负载机械组建模块与驱动机构相连接实现太阳能电池阵的 模拟。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池阵动态测量系统,其特征是,所述的模拟负载机 械组建模块包括:模拟负载、支架、驱动机构支撑平台和底座,其中:模拟负载安装于支架 上通过法兰与驱动机构连接,支架和驱动机构支撑平台安装于地面纯钢制成的底座上。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池阵动态测量系统,其特征是,所述的驱动机构 支撑平台包括:钢制支架和垫板,其中:钢制支架固定于地面纯钢底座上,垫板固定于支架 上。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池阵动态测量系统,其特征是,所述的专用机械接 口工装包括:传感器上板和传感器下板,其中:传感器下板连接驱动机构垫板与传感器,传 感器下板连接传感器与驱动机构。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池阵动态测量系统,其特征是,所述的驱动机构控 制及通讯模块包括:驱动机构、驱动机构控制块以及通讯接口,其中:驱动机构安装于专用 机械接口工装的传感器上板上,驱动机构控制块安装于系统底座上并通过数据电缆与驱动 机构相连接,通讯接口安装于驱动机构控制模块上并通过RS-232传输数据线与工控机相 连。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池阵动态测量系统,其特征是,所述的通讯接口,采 用按RS-232通信标准,位传输速率为115. 2Kbps,该接口传输的每个字节共11位,分别为: 1位起始位、8位数据位、1位校验位和1位停止,步进电机驱动电源每Is向上位机反馈一次 当前执行的控制指令。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池阵动态测量系统,其特征是,所述的数据采集模 块,包括;高精度六自由度力-扭矩传感器和高速数据采集卡。
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