CN107356265A - 一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法 - Google Patents

Abstract

一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法，本发明涉及陀螺飞轮偶不平衡量辨识方法。本发明是为了解决现有陀螺飞轮运行时，偶不平衡会使陀螺飞轮转子发生倾侧振动，力矩线圈产生力矩噪声，导致陀螺飞轮力矩输出精度低，影响陀螺飞轮的姿态测量精度，严重时会导致系统失稳，甚至会造成元件的损坏的问题。本发明包括：一、确定偶不平衡量辨识转速；二、在不同试重条件下，进行力矩线圈电流信号数据采集及频谱分析，得到电流信号频谱分析结果；三、利用步骤二得到的电流信号频谱分析结果，基于影响系数法，对陀螺飞轮原始偶不平衡量进行辨识；四、根据步骤三得到的辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡校正。本发明用于转子动平衡技术领域。

Description

一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法

技术领域

本发明涉及转子动平衡技术领域，具体涉及陀螺飞轮偶不平衡量辨识方法。

背景技术

微小航天器具有质量轻、体积小、成本低、研制周期短、易于技术更新、功能密度高、快速灵活、机动性好等优点，因此，发展千克至百千克级、可快速研制、生产和发射的微小航天器成为当前航天技术发展的主要趋势。微小航天器在体积、质量、成本、功耗、功能和可靠性等方面都提出了相对于现有航天器实现技术更高的要求，需要探索发展有效降低星上设备体积、重量和成本，大幅度提高微小航天器的功能密度，大幅度提高微小航天器的工作性能的系统实现技术。姿态控制系统是航天器重要的分系统，姿态控制性能的好坏将直接决定整个航天器工作的成败。同时，姿态控制系统是微小航天器实现中质量、体积、功耗、和成本的主要贡献者。根据微小航天器实现约束和技术发展趋势，研究和开发多功能集成、性能良好、功耗低、成本低的姿态控制测量与执行系统，是微小航天器技术发展的迫切需求。

陀螺飞轮是一种新型的集成化航天器姿态控制及敏感元件，它利用一个可倾侧、变速运行的机械转子，能够同时实现三维控制力矩输出和两维姿态角速度的敏感，非常适用于微小航天器的应用场合。

由于制造工艺水平的限制和安装误差等因素，陀螺飞轮转子上会存在由于质量分布不均匀引起的动不平衡。在陀螺飞轮运行时，动不平衡会使陀螺飞轮发生振动，产生力矩噪声，一方面降低其力矩输出精度，另一方面会影响陀螺飞轮的姿态测量精度，严重时会导致系统失稳，甚至会造成元件的损坏，因此需要对陀螺飞轮的动不平衡进行校正。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有陀螺飞轮运行时，偶不平衡会使陀螺飞轮转子发生倾侧振动，力矩线圈产生力矩噪声，导致陀螺飞轮力矩输出精度低，影响陀螺飞轮的姿态测量精度，严重时会导致系统失稳，甚至会造成元件的损坏的问题，而提出一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法。

一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法包括以下步骤：

步骤一、确定偶不平衡量辨识转速；

步骤二、根据步骤一确定的偶不平衡量辨识转速，在不同试重条件下，进行力矩线圈电流信号数据采集及频谱分析，得到电流信号频谱分析结果；所述不同试重条件为不同的试重质量不同的添加相位、相同的试重质量不同的添加相位或不相同的试重质量相同的添加相位；

步骤三、利用步骤二得到的电流信号频谱分析结果，基于影响系数法，对陀螺飞轮原始偶不平衡量进行辨识；

步骤四、根据步骤三得到的的辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡校正。

本发明的有益效果为：

本发明利用陀螺飞轮力矩线圈电流信号进行偶不平衡辨识，能够有效辨识陀螺飞轮偶不平衡量，达到较好的辨识效果。通过辨识和校正，改善了陀螺飞轮转子内部的质量分布，降低了力矩线圈电流信号的一倍频幅值，降低了转子倾侧振动的一倍频幅值，降低了力矩线圈力矩噪声，提高了转子的运行稳定性，间接也可以提高陀螺飞轮的力矩输出精度和姿态测量精度。校正前倾侧角一倍频幅值为0.3818度，采用本发明校正后的倾侧角一倍频幅值为0.249度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为5次实验中，力矩线圈电流信号一倍频幅值随转速变化曲线图；

图3为不同试重条件下，力矩线圈电流一倍频幅值随添加试重相位的变化曲线；

图4为使用本发明的辨识方法进行辨识和校正前后，在倾侧回路开环条件下，陀螺飞轮倾侧角信号一倍频幅值的对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法包括以下步骤：

步骤一、确定偶不平衡量辨识转速；

步骤二、根据步骤一确定的偶不平衡量辨识转速，在不同试重条件下，进行力矩线圈电流信号数据采集及频谱分析，得到电流信号频谱分析结果；所述不同试重条件为不同的试重质量不同的添加相位、相同的试重质量不同的添加相位或不相同的试重质量相同的添加相位；

步骤三、利用步骤二得到的电流信号频谱分析结果，基于影响系数法，对陀螺飞轮原始偶不平衡量进行辨识；

步骤四、根据步骤三得到的的辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡校正。

陀螺飞轮的动不平衡是偶不平衡和静不平衡共同作用的结果，本发明针对陀螺飞轮的偶不平衡量辨识问题开展研究。基于陀螺飞轮现有的传感器配置形式，本发明尝试从倾侧控制闭环的角度，利用力矩线圈电流信号实现对陀螺飞轮偶不平衡量的辨识。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中确定偶不平衡量辨识转速的具体过程为：

采用力矩线圈电流一倍频的重复性作为判断标准；

步骤一一、在陀螺飞轮工作转速的范围内，选取测试转速为ω_i，i＝1,2,…,n；陀螺飞轮的工作转速范围为2500r/min-4000r/min，选取300r/min作为测试转速间隔，分别为2500r/min，2800r/min，3100r/min，3400r/min，3700r/min，4000r/min；n为正整数；

步骤一二、当测试转速ω_i运行稳定后，令陀螺飞轮工作在闭环零倾侧状态(对陀螺飞轮的倾侧角进行闭环控制，使其不发生倾侧)，记录时间t内(10秒内)力矩线圈的电流；

步骤一三、重复执行步骤一二g次(5次)，g≥3；

步骤一四、采用快速傅里叶变换(FFT)，对步骤一三采集到的力矩线圈电流进行计算，得到各测试转速对应的力矩线圈电流信号的一倍频幅值A_ij(j＝1,2,3,4,5)，j＝1,2,…,g；g为正整数；

步骤一五、根据g次力矩线圈电流信号的一倍频幅值A_ij随转速变化曲线，设曲线重合的转速为dr/min，在d±100r/min的范围内选取偶不平衡辨识转速ω_T。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中根据步骤一确定的偶不平衡量辨识转速，在不同试重条件下，进行力矩线圈电流信号数据采集及频谱分析，得到电流信号频谱分析结果的具体过程为：

采集力矩线圈电流，使用FFT对其进行分析；

步骤二一、在陀螺飞轮相位k＝1,2,…,l,l≥3，添加偶不平衡形式的试重，质量为m_k；

步骤二二、当陀螺飞轮稳定运行在辨识转速ω_T时，令陀螺飞轮工作在闭环零倾侧状态；

步骤二三、记录时间t内的力矩线圈电流信号；

步骤二四、采用快速傅里叶变换对力矩线圈电流进行计算，得到各试重条件对应的力矩线圈电流一倍频幅值5次实验中力矩线圈电流信号一倍频幅值随转速变化曲线如图2所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中利用步骤二得到的电流信号频谱分析结果，基于影响系数法，对陀螺飞轮原始偶不平衡量进行辨识的具体过程为：

步骤二添加试重的信息为m_k，试重的向量形式为采集与计算得到的力矩线圈的一倍频的幅值为其可以表示为向量形式设原始偶不平衡量在试重面的等效质量为U，其相位为原始偶不平衡量表示为向量形式

根据影响系数法，则如下关系成立：

其中为待校正陀螺飞轮原理样机的影响系数，为从中选出的三组试重，k＝1，2，…，l，l≥3。为对应试重条件下的力矩线圈电流一倍频幅值，A_φa2为对应试重条件下的力矩线圈电流一倍频幅值，A_φa3为对应试重条件下的力矩线圈电流一倍频幅值；

在标量形式下，式(1)表示为：

其中C₁为影响系数的幅值，为对应的角度，为对应的角度，为对应的角度，m_a1为的幅值，m_a2为的幅值，m_a3为的幅值，根据式(2)方程组，求解U和得到原始偶不平衡量的幅值和所在相位。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中根据步骤三得到的的辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡校正的具体过程为：

在相位为的位置添加质量为U的偶不平衡配重，完成校正。校正后，令陀螺飞轮工作在转速ω_T和倾侧开环状态，记录一段时间内陀螺飞轮倾侧角并对其进行FFT分析，得到此时倾侧角一倍频幅值，通过与校正前该信号一倍频幅值的比较，验证偶不平衡辨识及校正效果。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一、条件：某陀螺飞轮样机

二、过程：

步骤一：陀螺飞轮的工作转速范围为2500r/min-4000r/min，选取300r/min作为测试转速间隔，分别为2500r/min，2800r/min，3100r/min，3400r/min，3700r/min，4000r/min，即n＝6。

对应每个测试转速，当运行稳定后，令陀螺飞轮工作在闭环零倾侧状态，记录10秒内力矩线圈的电流。重复记录每个测试转速对应力矩线圈电流5次。采用快速傅里叶变换(FFT)，对步骤一二采集到的力矩线圈电流进行计算，得到力矩线圈电流的一倍频幅值A_ij，j＝1,2,3,4,5。得到力矩线圈电流一倍频幅值随转速变化的5条曲线如图2所示，选取偶不平衡辨识转速为3600r/min。

步骤二：在陀螺飞轮相位为0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°位置，添加偶不平衡形式的试重，质量为0.5g。当陀螺飞轮稳定运行在辨识转速3600r/min时，令其工作在闭环零倾侧状态，记录一定时间内的力矩线圈电流。采用FFT对力矩线圈电流进行分析，得到其一倍频幅值不同试重条件下，力矩线圈电流一倍频幅值随添加试重相位的变化曲线如图3所示。

步骤三：利用采用影响系数法，对偶不平衡进行解算，解算得到辨识结果为偶不平衡在转子相位为150°位置，其等效为试重面上质量时，等效质量为0.5g。

步骤四：在相位为330°的位置添加质量为0.5g的偶不平衡配重，完成校正。校正后，令陀螺飞轮工作在转速3600r/min和倾侧开环状态，记录一段时间内陀螺飞轮倾侧角并对其进行FFT分析，得到此时倾侧角一倍频幅值，通过与校正前该信号一倍频幅值的比较，验证偶不平衡辨识及校正效果。辨识前后倾侧角一倍频幅值如图4所示。

三、结果：

校正前和校正后倾侧角一倍频幅值如表一所示；

表一 校正前后倾侧角一倍频幅值

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法，其特征在于：所述基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法包括以下步骤：

步骤一、确定偶不平衡量辨识转速；

步骤二、根据步骤一确定的偶不平衡量辨识转速，在不同试重条件下，进行力矩线圈电流信号数据采集及频谱分析，得到电流信号频谱分析结果；所述不同试重条件为不同的试重质量不同的添加相位、相同的试重质量不同的添加相位或不相同的试重质量相同的添加相位；

步骤三、利用步骤二得到的电流信号频谱分析结果，基于影响系数法，对陀螺飞轮原始偶不平衡量进行辨识；

步骤四、根据步骤三得到的的辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡校正。

2.根据权利要求1所述的一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法，其特征在于：所述步骤一中确定偶不平衡量辨识转速的具体过程为：

步骤一一、在陀螺飞轮工作转速的范围内，选取测试转速为ω_i，i＝1,2,…,n；

步骤一二、当测试转速ω_i运行稳定后，令陀螺飞轮工作在闭环零倾侧状态，记录时间t内力矩线圈的电流；

步骤一三、重复执行步骤一二g次，g≥3；

步骤一四、采用快速傅里叶变换，对步骤一三采集到的力矩线圈电流进行计算，得到各测试转速对应的力矩线圈电流信号的一倍频幅值A_ij，j＝1,2,…,g；

步骤一五、根据g次力矩线圈电流信号的一倍频幅值A_ij随转速变化曲线，设曲线重合的转速为dr/min，在d±100r/min的范围内选取偶不平衡辨识转速ω_T。

3.根据权利要求2所述的一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法，其特征在于：所述步骤二中根据步骤一确定的偶不平衡量辨识转速，在不同试重条件下，进行力矩线圈电流信号数据采集及频谱分析，得到电流信号频谱分析结果的具体过程为：

步骤二一、在陀螺飞轮相位k＝1,2,…,l,l≥3，添加偶不平衡形式的试重，质量为m_k；

步骤二二、当陀螺飞轮稳定运行在辨识转速ω_T时，令陀螺飞轮工作在闭环零倾侧状态；

步骤二三、记录时间t内的力矩线圈电流信号；

步骤二四、采用快速傅里叶变换对力矩线圈电流进行计算，得到各试重条件对应的力矩线圈电流一倍频幅值

4.根据权利要求3所述的一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法，其特征在于：所述步骤三中利用步骤二得到的电流信号频谱分析结果，基于影响系数法，对陀螺飞轮原始偶不平衡量进行辨识的具体过程为：

步骤二添加试重的信息为m_k，试重的向量形式为设原始偶不平衡量在试重面的等效质量为U，其相位为原始偶不平衡量表示为向量形式

根据影响系数法，则如下关系成立：

其中为待校正陀螺飞轮原理样机的影响系数，为从中选出的三组试重，k＝1,2,…,l,l≥3；A_φa1为对应试重条件下的力矩线圈电流一倍频幅值，A_φa2为对应试重条件下的力矩线圈电流一倍频幅值，A_φa3为对应试重条件下的力矩线圈电流一倍频幅值；

在标量形式下，式(1)表示为：

其中C₁为影响系数的幅值，为对应的角度，为对应的角度，为对应的角度，m_a1为的幅值，m_a2为的幅值，m_a3为的幅值，根据式(2)方程组，求解U和得到原始偶不平衡量的幅值和所在相位。

5.根据权利要求4所述的一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法，其特征在于：所述步骤四中根据步骤三得到的的辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡校正的具体过程为：

在相位为的位置添加质量为U的偶不平衡配重，完成校正。