CN102109856B - 一种反作用飞轮的参数辨识系统 - Google Patents

Abstract

一种反作用飞轮的参数辨识系统属于机电控制领域，该系统包括稳恒直流电源、电压传感器、电流传感器、位置传感器、数字控制器、上位机、可编程逻辑器件、浮地驱动桥电路和反作用飞轮电机，稳恒直流电源提供给反作用飞轮电机电压，反作用飞轮电机将在可编程逻辑器件、浮地驱动桥电路的驱动下达到稳态转速状态，数字控制器将电压传感器、电流传感器、位置传感器测得的反作用飞轮电机稳态转速状态下的电压、电流和转速信号传送给上位机，上位机将收到的电压、电流和转速信号经过数据拟合计算出反作用飞轮电机的参数。本发明能够低电压启动飞轮，不存在稳恒直流电源的门限电压，保证0.1-28V电压范围都能对反作用飞轮电机系统的参数进行辨识。

Description

一种反作用飞轮的参数辨识系统

技术领域

本发明属于机电控制技术领域，具体涉及一种反作用飞轮的参数辨识系统。

背景技术

在反作用飞轮工程实践中，经常会遇到各种需要测量反作用飞轮的场合，例如在核对设计的飞轮角动量和实际制作出的飞轮角动量时，常需要知道飞轮的转动惯量。为了能精确地建立飞轮系统的系统模型，还要测量飞轮的摩擦性能，要求能测得飞轮的瞬时转速等，随着微型计算机的广泛应用，特别是高性价比的微处理器的涌现，飞轮参数的测量法以微处理器为核心的数字法，智能化微电脑式代替了一般机械式测量方法。目前，常用的测量飞轮参数的方法主要是采用机械式测量方法对各参数分离测量，如飞轮惯量的测量如果采用直接测量法需要飞轮垂直放置，对与已经封装在真空壳内的飞轮，该方法并不适合；对飞轮摩擦参数的测量需要安装力矩传感器，过程较繁琐，工作周期也较长。所以上述技术不能实现对飞轮电机参数的快速测量。

发明内容

为了解决现有反作用飞轮参数测量技术方面的不足，本发明提供一种能快速进行参数辨识的反作用飞轮参数辨识系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种反作用飞轮的参数辨识系统，包括稳恒直流电源、电压传感器、电流传感器、位置传感器、数字控制器、上位机、可编程逻辑器件、浮地驱动桥电路和反作用飞轮电机，稳恒直流电源提供给反作用飞轮电机电压，反作用飞轮电机将在可编程逻辑器件、浮地驱动桥电路的驱动下达到稳态转速状态，数字控制器将电压传感器、电流传感器、位置传感器测量到的反作用飞轮电机的稳态转速状态下的电压信号、电流信号和转速信号传送给上位机，上位机将收到的电压信号、电流信号和转速信号经过数据拟合计算出反作用飞轮电机的参数。

本发明的有益效果是：能够低电压(大于0.1V)启动飞轮，不存在稳恒直流电源的门限电压，保证整个电压范围0.1V-28V都能对反作用飞轮电机系统的粘滞摩擦系数、库伦摩擦系数进行辨识。

附图说明

图1是本发明反作用飞轮的参数辨识系统原理框图。

图2是本发明浮地驱动原理图。

图中，1、稳恒直流电源，2、电压传感器，3、电流传感器，4、位置传感器，5、数字控制器，6、上位机，7、可编程逻辑器件，8、浮地驱动桥电路，9、反作用飞轮电机，10、上桥臂隔离电源，11、下桥臂隔离电源，12、光耦，13、推挽电路，14、NMOS功率管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的反作用飞轮的参数辨识系统包括稳恒直流电源1、电压传感器2、电流传感器3、位置传感器4、数字控制器5、上位机6、可编程逻辑器件7、浮地驱动桥电路8和反作用飞轮电机9。稳恒直流电源1采用30V、5A范围的直流稳压源，含有两路输出，一路为逻辑电路供电提供5V电源，另一路为反作用飞轮电机9提供驱动电源，电压调节范围0～28V；电流传感器3采用隔离霍尔电流传感器ASCS712，数字控制器5采用FPGA，内置软核处理器，可编程逻辑器件7采用GAL(Generic Array Logic，通用阵列逻辑)器件，反作用飞轮电机9由三相星型绕组电机构成。

如图2所示，浮地驱动桥电路8包括上桥臂隔离电源10、下桥臂隔离电源11、光耦12、推挽电路13和NMOS功率管14，其中，上桥臂隔离电源10输出地接上侧光耦12的输出地，然后接上侧NMOS功率管14的S极，连至飞轮电机绕组形成浮地。当可编程逻辑器件7的输出信号通过上侧光耦12的A1端输入时，经光耦隔离在上侧光耦12的OUT脚输出，该输出作为上侧推挽电路13的输入，上侧推挽电路13的输出作为上侧NMOS功率管14的输入形成浮地驱动。由三路浮地驱动桥电路8组成反作用飞轮电机9的驱动桥臂，从而稳恒直流电源1的低输出电压大于0.1V，既能驱动反作用飞轮电机9转动，又能保证对反作用飞轮电机9的低速摩擦参数的测量。

稳恒直流电源1提供给反作用飞轮电机9电压Uj，反作用飞轮电机9将在可编程逻辑器件7、浮地驱动桥电路8的驱动下达到稳态转速状态W(j)，数字控制器5将电压传感器2、电流传感器3、霍尔位置传感器4测量到的反作用飞轮电机9的稳态转速状态下的电压信号Uj、电流信号Ij和转速信号Wj传送给上位机6，上位机6将收到的电压信号Uj、电流信号Ij和转速信号Wj保存至内存。经过下述过程计算反作用飞轮电机9的参数：

1)反作用飞轮力矩系数的间接测量方法：不断提高反作用飞轮电机的端电压，通过在不同电压U(j)下测得稳速电流值I(j)及相应的稳态转速值W(j)，根据电压平衡方程：

$U\left(j\right)-2\mathrm{\ΔU}=\mathrm{RI}\left(j\right)+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{KeW}\left(j\right)$

其中，U(j)为反作用飞轮电机的端电压，ΔU为功率管压降，R为电机绕组电阻，L为电机绕组电感，Ke为反电动势系数，W(j)为飞轮稳态转速，L一般为10^-2数量级，且稳态下电流变化率

通过下式：

$\mathrm{Ke}=\frac{U\left(j\right)-2\mathrm{\ΔU}-\mathrm{RI}\left(j\right)}{W\left(j\right)}$

即可求出反电动势系数，即为反作用飞轮电机9的力矩系数；再将多次测量结果平均，即可求得力矩系数的估计值：

$\mathrm{Ke}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U\left(j\right)-2\mathrm{\ΔU}-\mathrm{RI}\left(j\right)}{W\left(j\right)}$

2)反作用飞轮摩擦系数的测量方法：飞轮摩擦包含轴承润滑脂和滚珠之间的摩擦及低真空度下壳体内残留的空气和飞轮体之间产生的摩擦。从实验数据出发，飞轮转速范围内，数据离散图表现出较强的线性趋势，所以摩擦模型采用库伦粘滞模型：

k_eI(j)＝T_f＝BW(j)+T_csign(W(j))

其中，T_f为摩擦力矩，B为粘滞摩擦系数，Tc为静摩擦系数。

通过线性拟合可求得粘滞摩擦系数B(N·s/rad)和静摩擦系数Tc(Nm)的统计估计值

如下：

$\hat{B}=\frac{{\hat{K}}_e\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(W\left(j\right)-\stackrel{\‾}{W})(I\left(j\right)-\stackrel{\‾}{i})}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(W\left(j\right)-\stackrel{\‾}{W})}^2}$

${\hat{T}}_c={\hat{K}}_e\stackrel{\‾}{i}-\hat{B}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}$

其中，

为平均转速值，为平均电流值。

当电机自由降速阶段时，根据转矩平衡方程有：

$J\frac{\mathrm{dW}\left(j\right)}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{BW}\left(j\right)-T_c$

该常微分方程的解为：

$W\left(j\right)=\frac{\mathrm{Tc}}{B}+C_1\exp (-\frac{\mathrm{Bt}\left(j\right)}{J})$

其中，J为飞轮电机的转动惯量，C₁为降速初始值，t(j)为减速时间点序列，通过指数拟合，可求得转动惯量J的统计估计值

如下：

$\hat{J}=\frac{\hat{B}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(t\left(j\right)-\stackrel{\‾}{t})}^2}{\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(t\left(j\right)-\stackrel{\‾}{t})(M-\log (\frac{W\left(j\right)}{B}+\frac{{\hat{T}}_c}{\hat{B}}))}$

其中，

为时间平均值。

反作用飞轮角动量N的统计估计值为：

其中，W_max为测得的反作用飞轮的最高转速，

为飞轮角动量估计值。

经过以上数据拟合计算，即可求出反作用飞轮电机9的参数，包括力矩系数、粘滞摩擦系数、静摩擦系数、转动惯量和反作用飞轮角动量。

Claims (4)

1.一种反作用飞轮的参数辨识系统，其特征在于：该系统包括稳恒直流电源(1)、电压传感器(2)、电流传感器(3)、位置传感器(4)、数字控制器(5)、上位机(6)、可编程逻辑器件(7)、浮地驱动桥电路(8)和反作用飞轮电机(9)，稳恒直流电源(1)提供给反作用飞轮电机(9)电压，反作用飞轮电机(9)将在可编程逻辑器件(7)、浮地驱动桥电路(8)的驱动下达到稳态转速状态，数字控制器(5)将电压传感器(2)、电流传感器(3)、位置传感器(4)测量到的反作用飞轮电机(9)的稳态转速状态下的电压信号、电流信号和转速信号传送给上位机(6)，上位机(6)将收到的电压信号、电流信号和转速信号经过数据拟合计算出反作用飞轮电机(9)的参数。

2.如权利要求1所述的反作用飞轮的参数辨识系统，其特征在于，所述的浮地驱动桥电路(8)包括上桥臂隔离电源(10)、下桥臂隔离电源(11)、光耦(12)、推挽电路(13)和NMOS功率管(14)，上桥臂隔离电源(10)输出地接上侧的光耦(12)的输出地，然后接上侧的NMOS功率管(14)的S极，连接至飞轮电机绕组形成浮地；当可编程逻辑器件(7)的输出信号通过上侧的光耦(12)的A1端输入时，经光耦隔离在上侧的光耦(12)的OUT脚输出，该输出作为上侧的推挽电路(13)的输入，上侧的推挽电路(13)的输出作为上侧的NMOS功率管(14)的输入形成浮地驱动。

3.如权利要求1所述的反作用飞轮的参数辨识系统，其特征在于，所述反作用飞轮电机(9)的参数包括力矩系数、粘滞摩擦系数、静摩擦系数、转动惯量和反作用飞轮角动量。

4.如权利要求1所述的反作用飞轮的参数辨识系统，其特征在于，所述位置传感器(4)为霍尔位置传感器，所述可编程逻辑器件(7)为GAL器件。

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