CN102288340B - 反作用飞轮输出力矩测量电路及其测量方法 - Google Patents

Abstract

反作用飞轮输出力矩测量电路及其测量方法。它涉及反作用飞轮输出力矩测量领域，它解决了动力学模型计算过程中反作用飞轮输出力矩测量的问题，它的微处理器连通信接口、计数器和整型模块，并采集飞轮转速方向信号和50ms脉冲信号，整型模块采集飞轮转速脉冲信号，计数器还连晶振，通信接口输出动力学计算模块的信号，方法如下：微处理器初始化，计数器初始化，50ms脉冲中断优于飞轮转速脉冲中断；50ms脉冲中断：记录T50，设置flag＝1，退出中断；飞轮转速脉冲中断：一、count值加1，若flag＝1，则进行二，否退出中断；二、读取Tflag，计算当前计算周期内的反作用飞轮转速，三、计算力矩，四、将力矩发送给动力学模型，退出中断。它应用卫星姿态控制系统动态测试。

Description

反作用飞轮输出力矩测量电路及其测量方法

技术领域

本发明涉及反作用飞轮输出力矩测量领域。

背景技术

反作用飞轮是小卫星，尤其是高精度三轴稳定小卫星普遍采用的控制部件，通过不同的输入电压输入得到不同的输出力矩，它具有控制精度高、寿命长、连续控制等特点。采用了反作用飞轮的卫星在进行电测时，尤其在进行姿态控制系统闭环测试或者模飞测试时，需要精确测量反作用飞轮的输出力矩，用于闭环测试的动力学模型计算。国内常用的反作用飞轮一般输出转速和转速方向信号，转速采用单位时间内的脉冲数表示，为TTL电平的方波信号，转速方向采用TTL电平信号表示(比如高电平表示正转，低电平表示反转)。反作用飞轮的转速不太高，每分钟最大不超过几千转，每转采用特定个数(比如18个)脉冲表示。

在卫星姿态控制系统闭环测试时，需要实时、精确测量反作用飞轮输出力矩，实时是指在一次动力学计算步长(几十毫秒)内至少提供一次测量数据。如果采用脉冲计数法，假设飞轮转速信号频率小于2000Hz，动力学计算步长50ms，那么一个计算步长内的转速脉冲个数为小于100，由于计数为整数，计数误差为1，输出力矩的计算误差至少为1％，反作用飞轮转速越低误差越大，不能满足使用要求。如果采用测量脉冲周期的方法，一次周期测量的误差一般要十几微秒(由处理器的中断时间决定)，对于2000Hz的信号来说，输出力矩的计算最大误差接近2％(10μs/500μs)。且一个动力学计算步长内有多个脉冲，选择哪个脉冲计算该时间内的转速最合适，能够提高反作用飞轮输出力矩的精度，从而满足卫星测试使用要求，成为现在的一个研究方向。

发明内容

本发明的目的是解决卫星姿态控制系统动态测试时动力学模型计算过程中反作用飞轮输出力矩测量的问题，提供一种反作用飞轮输出力矩测量电路及其测量方法。

本发明反作用飞轮输出力矩测量电路包括微处理器、通信接口、计数器、晶振和整形模块；微处理器的第一输入输出端与通信接口的第一输出输入端连接，通信接口的第二输入输出端为动力学计算模块的信号输入输出端，微处理器的第二输入输出端与计数器的输出输入端连接，微处理器的第三输入端与整形模块的输出端连接，整形模块的输入端为飞轮转速脉冲信号输入端，微处理器的第四输入端为微处理器的飞轮转速方向信号输入端，微处理器的第五输入端为微处理器的50ms脉冲信号输入端，计数器的输入端与晶振的输出端连接。

反作用飞轮输出力矩测量方法如下：

微处理器初始化，设置微处理器的飞轮转速脉冲信号输入端的中断口的中断触发方式为上升沿或者下降沿触发方式，即单个边沿触发，设置微处理器的50ms脉冲信号输入端的中断口的中断触发方式为上升沿触发；微处理器定义飞轮转速脉冲中断计数变量count并清零；设置微处理器内部定时器，定时精度1ms，启动定时；

计数器初始化，设置计数器3的计数增加1代表1μs，启动计数器计数；初始化50ms中断更新标志flag＝0；

设置50ms脉冲中断处理程序的优先级高于飞轮转速脉冲中断处理程序的优先级；

50ms脉冲中断处理程序为：

记录微处理器内部定时器当前计数值T50，设置50ms中断更新标志flag＝1，退出50ms脉冲中断处理程序；

飞轮转速脉冲中断处理程序为：

步骤一：飞轮转速脉冲中断计数变量count值加1，读取飞轮转速方向信号Direct，若50ms中断更新标志flag＝1，则进行步骤二，否则退出飞轮转速脉冲中断处理程序；

步骤二：读取微处理器内部定时器当前计数值Tflag，计算当前计算周期内的反作用飞轮转速：

若Tflag-T50＞25ms，则当前计算周期内的反作用飞轮转速ω＝0，否则读取并记录计数器的数值T3，按下述公式计算当前计算周期内的反作用飞轮转速：

t＝T3_k-T3_k-1，其中下标k代表当前计算周期，k-1代表上一计算周期，

$\mathrm{\ω}=\mathrm{Direct}\×\frac{2\mathrm{\π}}{36}\×(\mathrm{count}-1)/t,$

其中，ω表示当前计算周期内的飞轮转速，一周期50ms，Direct表示转速方向，由飞轮转速方向信号决定，如果飞轮转速方向信号为高电平，则Direct＝1，否则Direct＝-1；

T3_k＝T3_k-1；设置50ms中断更新标志flag＝0，

步骤三：计算反作用飞轮输出力矩T：

$T=J\frac{{\mathrm{\ω}}_k-{\mathrm{\ω}}_{k-1}}{50\mathrm{ms}}$

其中，T代表飞轮输出力矩，J代表飞轮转动惯量，为常值，ω_k表示当前计算周期的飞轮转速，ω_k-1表示上一计算周期飞轮转速；ω_k＝ω_k-1；

步骤四：将计算得到的飞轮输出力矩T通过通信接口发送给动力学模型，退出飞轮转速脉冲中断处理程序。

本发明通过采集一个动力学计算步长内的反作用飞轮的转速脉冲数，以及该时间内首尾脉冲边沿之间的时间间隔，计算反作用飞轮输出力矩，提高了计算精度，满足卫星测试使用要求。本发明所测量的飞轮输出力矩，由于同时记录相邻两次50ms脉冲上升沿后的第一个飞轮转速脉冲中断之间的时间间隔以及中断次数，脉冲计数是准确的，误差主要为时间测量误差，由于计数器精度为1μs，因此时间误差主要来自微处理器中断处理引起的误差，大约10μs，飞轮输出力矩的计算误差约10μs/50ms＝0.0002，精度提高了近百倍。该电路设计简单、精度高，满足卫星系统电测试的使用要求。

附图说明

图1是本发明的反作用飞轮输出力矩测量电路的结构示意图；图2是整形模块5的结构示意图；图3是倍频处理电路52的信号逻辑图，其中输入信号为光电隔离整形芯片51的输出端的输出信号，延时信号为延时芯片521的输出端的输出信号，输出信号为异或模块522的输出端的输出信号；图4是飞轮转速脉冲采样点示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括微处理器1、通信接口2、计数器3、晶振4和整形模块5；微处理器1的第一输入输出端与通信接口2的第一输出输入端连接，微处理器1的第一输入输出端为通信输入输出端，通信接口2的第二输入输出端为动力学计算模块的信号输入输出端，微处理器1的第二输入输出端与计数器3的输出输入端连接，微处理器1的第三输入端与整形模块5的输出端连接，微处理器1的第一输入端为微处理器1的飞轮转速脉冲信号输入端，整形模块5的输入端为飞轮转速脉冲信号输入端，微处理器1的第四输入端为微处理器1的飞轮转速方向信号输入端，微处理器1的第五输入端为微处理器1的50ms脉冲信号输入端，计数器3的输入端与晶振4的输出端连接。

微处理器1是该测量电路的核心，用于发送飞轮输出力矩的计算数据，接收动力学计算的指令；用于控制计数器的读写；用于测量飞轮转速脉冲信号；用于测量飞轮转速方向信号；用于接收50ms脉冲信号；用于飞轮输出力矩的计算；

通信接口2用于微处理器1与动力学计算模型之间的通信；

计数器3通过计数晶振4脉冲数用于记录时间；

整形模块5用于对飞轮转速脉冲信号进行隔离整形后进行倍频处理。

微处理器1采用C8051F040；通信接口2采用RS232接口。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于整形模块5包括光电隔离整形芯片51和倍频处理电路52，

光电隔离整形芯片51的输入端为飞轮转速脉冲信号输入端，光电隔离整形芯片51的输出端与倍频处理电路52的输入端连接，

倍频处理电路52包括延时芯片521和异或模块522，倍频处理电路52的输入端同时为延时芯片521的输入端和异或模块522的一个输入端，延时芯片521的输出端与异或模块522的另一个输入端连接，异或模块522的输出端为倍频处理电路52的输出端，并且为整形模块5的输出端。

首先通过光电隔离整形芯片51对整形模块5的输入的飞轮转速脉冲信号进行整形与隔离，然后通过倍频处理电路52对输入的飞轮转速脉冲信号进行倍频。

倍频处理电路52将输入信号与输入信号延时后的信号进行异或运算，其运算结果如图3所示，在输入信号产生跳变开始到信号延时时间内输出信号为高电平，其他时间输出信号为低电平，从而将输入信号的频率提高了一倍。被测信号倍频处理后，与微处理器中断输入口连接。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的飞轮输出力矩的测量方法：

微处理器1初始化，设置微处理器1的飞轮转速脉冲信号输入端的中断口的中断触发方式为上升沿或者下降沿触发方式，即单个边沿触发，设置微处理器1的50ms脉冲信号输入端的中断口的中断触发方式为上升沿触发；微处理器1定义飞轮转速脉冲中断计数变量count并清零；设置微处理器1内部定时器，定时精度1ms，启动定时；

计数器3初始化，设置计数器3的计数增加1代表1μs，启动计数器3计数；初始化50ms中断更新标志flag＝0；

设置50ms脉冲中断处理程序的优先级高于飞轮转速脉冲中断处理程序的优先级；

50ms脉冲中断处理程序为：

记录微处理器1内部定时器当前计数值T50，设置50ms中断更新标志flag＝1，退出50ms脉冲中断处理程序；

飞轮转速脉冲中断处理程序为：

步骤一：飞轮转速脉冲中断计数变量count值加1，读取飞轮转速方向信号Direct，若50ms中断更新标志flag＝1，则进行步骤二，否则退出飞轮转速脉冲中断处理程序；

步骤二：读取微处理器1内部定时器当前计数值Tflag，计算当前计算周期内的反作用飞轮转速：

若Tflag-T50＞25ms，则当前计算周期内的反作用飞轮转速ω＝0，否则读取并记录计数器3的数值T3，按下述公式计算当前计算周期内的反作用飞轮转速：

t＝T3_k-T3_k-1，其中下标k代表当前计算周期，k-1代表上一计算周期，

$\mathrm{\ω}=\mathrm{Diret}\×\frac{2\mathrm{\π}}{36}\×(\mathrm{count}-1)/t,$

其中，ω表示当前计算周期内的飞轮转速，一周期50ms，Direct表示转速方向，由飞轮转速方向信号决定，如果飞轮转速方向信号为高电平，则Direct＝1，否则Direct＝-1；

T3_k＝T3_k-1；设置50ms中断更新标志flag＝0，

步骤三：计算反作用飞轮输出力矩T：

$T=J\frac{{\mathrm{\ω}}_k-{\mathrm{\ω}}_{k-1}}{50\mathrm{ms}}$

其中，T代表飞轮输出力矩，J代表飞轮转动惯量，为常值，ω_k表示当前计算周期的飞轮转速，ω_k-1表示上一计算周期飞轮转速；ω_k＝ω_k-1；

步骤四：将计算得到的飞轮输出力矩T通过通信接口2发送给动力学模型，退出飞轮转速脉冲中断处理程序。

如图4所示，飞轮正转，A、C点为相邻两次50ms脉冲的上升沿，计算反作用飞轮输出力矩T，需要记录A点后的第一次飞轮转速脉冲中断B点时刻tb，C点后的第一次飞轮转速脉冲中断D点时刻td，B点与D点之间中断次数为5，如果tb-ta＜25ms，且td-tc＜25ms，则反作用飞轮输出力矩T为：

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{36}\×4/(\mathrm{td}-\mathrm{tb}),$ $T=J\frac{{\mathrm{\ω}}_k-{\mathrm{\ω}}_{k-1}}{50\mathrm{ms}},$

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (3)

1.反作用飞轮输出力矩测量电路，其特征在于它包括微处理器(1)、通信接口(2)、计数器(3)、晶振(4)和整形模块(5)；微处理器(1)的第一输入输出端与通信接口(2)的第一输出输入端连接，通信接口(2)的第二输入输出端为动力学计算模块的信号输入输出端，微处理器(1)的第二输入输出端与计数器(3)的输出输入端连接，微处理器(1)的第三输入端与整形模块(5)的输出端连接，整形模块(5)的输入端为飞轮转速脉冲信号输入端，微处理器(1)的第四输入端为微处理器(1)的飞轮转速方向信号输入端，微处理器(1)的第五输入端为微处理器(1)的50ms脉冲信号输入端，计数器(3)的输入端与晶振(4)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的反作用飞轮输出力矩测量电路，其特征在于整形模块(5)包括光电隔离整形芯片(51)和倍频处理电路(52)，光电隔离整形芯片(51)的输入端为飞轮转速脉冲信号输入端，光电隔离整形芯片(51)的输出端与倍频处理电路(52)的输入端连接，倍频处理电路(52)包括延时芯片(521)和异或模块(522)，倍频处理电路(52)的输入端同时为延时芯片(521)的输入端和异或模块(522)的一个输入端，延时芯片(521)的输出端与异或模块(522)的另一个输入端连接，异或模块(522)的输出端为倍频处理电路(52)的输出端，并且为整形模块(5)的输出端。

3.反作用飞轮输出力矩测量方法，其特征在于步骤如下：

微处理器(1)初始化，设置微处理器(1)的飞轮转速脉冲信号输入端的中断口的中断触发方式为在每个上升沿和每个下降沿触发，即单个边沿触发，设置微处理器(1)的50ms脉冲信号输入端的中断口的中断触发方式为上升沿触发；微处理器(1)定义飞轮转速脉冲中断计数变量count并清零；设置微处理器(1)内部定时器，定时精度1ms，启动定时；

计数器(3)初始化，设置计数器(3)的计数增加1代表1μs，启动计数器(3)计数；初始化50ms中断更新标志flag=0；

设置50ms脉冲中断处理程序的优先级高于飞轮转速脉冲中断处理程序的优先级；

50ms脉冲中断处理程序为：

记录微处理器(1)内部定时器当前计数值T50，设置50ms中断更新标志flag=1，退出50ms脉冲中断处理程序；

飞轮转速脉冲中断处理程序为：

步骤一：飞轮转速脉冲中断计数变量count值加1，读取飞轮转速方向信号Direct，若50ms中断更新标志flag=1，则进行步骤二，否则退出飞轮转速脉冲中断处理程序；

步骤二：读取微处理器(1)内部定时器当前计数值Tflag，计算当前计算周期内的反作用飞轮转速：

若Tflag-T50>25ms，则当前计算周期内的反作用飞轮转速ω=0，否则读取并记录计数器(3)的数值T3，按下述公式计算当前计算周期内的反作用飞轮转速：

t=T3_k-T3_k-1，其中下标k代表当前计算周期，k-1代表上一计算周期，

$\mathrm{\ω}=\mathrm{Direct}\×\frac{2\mathrm{\π}}{36}\×(\mathrm{count}-1)/t,$

其中，ω表示当前计算周期内的飞轮转速，一周期50ms，Direct表示转速方向，由飞轮转速方向信号决定，如果飞轮转速方向信号为高电平，则Direct=1，否则Direct=-1；

T3_k=T3_k-1；设置50ms中断更新标志flag=0；步骤三：计算反作用飞轮输出力矩T：

$T=J\frac{{\mathrm{\ω}}_k-{\mathrm{\ω}}_{k-1}}{50}$

其中，T代表飞轮输出力矩，J代表飞轮转动惯量，为常值，ω_k表示当前计算周期的飞轮转速，ω_k-1表示上一计算周期飞轮转速；ω_k=ω_k-1；

步骤四：将计算得到的飞轮输出力矩T通过通信接口(2)发送给动力学模型，退出飞轮转速脉冲中断处理程序。

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