CN106525314A - 飞轮摩擦力矩测量方法 - Google Patents

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许海玉
边志强
沈毅力
董瑶海
陈阳
曾擎
吕旺
王皓
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers

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Abstract

本发明公开了一种飞轮摩擦力矩测量方法，其包括下列步骤：步骤一，使用飞轮转速采集系统，采集飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的转速信息；步骤二，通过数据处理与分析模块对转速信号进行平滑滤波与差分处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据；步骤三，多次测量取其均值，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小；步骤四，对飞轮加负转速的控制力矩电压，重复上述步骤一、步骤二、步骤三，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小。本发明能够对摩擦环境复杂的飞轮进行力矩测量，特别是整机装配完成后的飞轮力矩测量，测量方式简单易于实现，测量精度高，在航天器内飞轮的安装调试上应用广泛。

Description

飞轮摩擦力矩测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，特别是涉及一种飞轮摩擦力矩测量方法。
背景技术
飞轮是航天器控制系统重要的执行部件，飞轮的力矩输出及响应能力直接影响到控制效果，若已知飞轮的摩擦力矩，则控制系统可对飞轮可进行开环控制模式，直接将所需要的控制力矩，通过指令电压的方式，作用于飞轮，提高了控制响应能力。另外，为了保证飞轮在轨达到设计寿命，对飞轮整机性能进行评价，选出摩擦力矩较小的单机，以保证在轨达到设计寿命，同样需要对飞轮摩擦力矩进行测量。
而飞轮的轴承摩擦属于库仑摩擦，加上轮体的静动不平衡引起与转速相关的高频振动，使得库仑摩擦力大小和相对滑动速度大小之间关系更为复杂，不易建模计算，采用测量的方法，一般也只是针对轴承单独测量，且需要使用专用的摩擦力矩测试设备，测试方法复杂且设备昂贵，且无法进行整机装配完成后的摩擦力矩测量，而在航天器使用时更加注重飞轮整机产品装配完成后的轴承、轴系组件(含轮体)的摩擦力矩大小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种飞轮摩擦力矩测量方法，其能够对摩擦环境复杂的飞轮进行力矩测量，特别是整机装配完成后的飞轮力矩测量，测量方式简单易于实现，测量精度高，在航天器内飞轮的安装调试上应用广泛。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种飞轮摩擦力矩测量方法，其包括下列步骤：
步骤一，使用飞轮转速采集系统，采集飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的转速信息；
步骤二，通过数据处理与分析模块对转速信号进行平滑滤波与差分处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据；
步骤三，多次测量取其均值，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小；
步骤四，对飞轮加负转速的控制力矩电压，重复上述步骤一、步骤二、步骤三，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小。
优选地，所述步骤一是将飞轮施加正的控制力矩电压，使飞轮达到最高额定转速后，去除控制力矩电压，直至飞轮转速为零。
优选地，所述步骤一中的飞轮转速采集系统采用光电码盘和霍尔元器件测量飞轮转速。
优选地，所述步骤二中的数据处理与分析模块采用二阶向前差分和线性滤波处理方式对飞轮转速信号进行处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据。
优选地，所述步骤三中的多次测量均指飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的状态过程中测量。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够对摩擦环境复杂的飞轮进行力矩测量，特别是整机装配完成后的飞轮力矩测量，测量方式简单易于实现，测量精度高，在航天器内飞轮的安装调试上应用广泛。本发明可用于飞轮控制力矩输出计算，为控制系统设计提供参考依据，也可用于评价飞轮整机性能。
具体实施方式
下面给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明飞轮摩擦力矩测量方法包括下列步骤：
步骤一，使用飞轮转速采集系统，采集飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的转速信息；
步骤二，通过数据处理与分析模块对转速信号进行平滑滤波与差分处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据；
步骤三，多次测量取其均值，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小；
步骤四，对飞轮加负转速的控制力矩电压，重复上述步骤一、步骤二、步骤三，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小。
步骤一中飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零指的是将飞轮施加正的控制力矩电压，使飞轮达到最高额定转速后，去除控制力矩电压，直至飞轮转速为零。
步骤一中的飞轮转速采集系统采用光电码盘和霍尔元器件测量飞轮转速。
步骤二中数据处理与分析模块采用二阶向前差分和线性滤波处理方式对飞轮转速信号进行处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据。
步骤三种多次测量均指飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的状态过程中测量。
本发明的工作原理如下：对于光电码盘反馈的飞轮转速，可直接测量飞轮转速；对于霍尔元器件反馈的飞轮转速，采集霍尔元器件的脉冲信号(一般脉冲信号不低于24个/圈)，单位时间内对采集到的脉冲信号进行计数，可得到单位时间内的飞轮转速，如下式(1)：
其中：ωi——表示为飞轮第i个采样点转速，i为采样点个数，(i＝0，1，…，n，n为采用点总个数)(单位r/min)；
tg——脉冲计量时间(单位s)；m1——脉冲计量时间内总计数；Pω0——每转脉冲计数。
对转速信号进行线性平滑均值滤波，如下式(2)：
其中：ωmj——表示了滤波后的采样点数据，j为滤波后采样点个数，(j＝1，2，…，n-1)。
对转速信号进行一阶差分处理，如下式(3)：
Δωmj——飞轮转速的变化量；Δt——飞轮转速的变化量对应的时间增量；α——飞轮转速加速度。
估算出飞轮摩擦力矩大小，如下式(4)：
Jα＝Ff (4)
其中：J——为飞轮转速惯量(单位Kgm2)为已知量；Ff——为估算出的飞轮摩擦阻力大小(单位N)。
重复上述步骤多次测量，得到摩擦阻力均值如下式(5)：
其中：Mf——飞轮摩擦力矩；r——飞轮半径。
综上所述，本发明能够对摩擦环境复杂的飞轮进行力矩测量，特别是整机装配完成后的飞轮力矩测量，测量方式简单易于实现，测量精度高，在航天器内飞轮的安装调试上应用广泛。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种飞轮摩擦力矩测量方法，其特征在于，其包括下列步骤：
步骤一，使用飞轮转速采集系统，采集飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的转速信息；
步骤二，通过数据处理与分析模块对转速信号进行平滑滤波与差分处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据；
步骤三，多次测量取其均值，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小；
步骤四，对飞轮加负转速的控制力矩电压，重复上述步骤一、步骤二、步骤三，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小。
2.如权利要求1所述的飞轮摩擦力矩测量方法，其特征在于，所述步骤一是将飞轮施加正的控制力矩电压，使飞轮达到最高额定转速后，去除控制力矩电压，直至飞轮转速为零。
3.如权利要求1所述的飞轮摩擦力矩测量方法，其特征在于，所述步骤一中的飞轮转速采集系统采用光电码盘和霍尔元器件测量飞轮转速。
4.如权利要求1所述的飞轮摩擦力矩测量方法，其特征在于，所述步骤二中的数据处理与分析模块采用二阶向前差分和线性滤波处理方式对飞轮转速信号进行处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据。
5.如权利要求1所述的飞轮摩擦力矩测量方法，其特征在于，所述步骤三中的多次测量均指飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的状态过程中测量。
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