CN110048784B - 一种用于模拟导电滑环的模拟器及相应模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟导电滑环的模拟器，包括一个或多个传输通道，其中每个传输通道包括：开关阵列，其具有n个彼此并联的开关单元，其中n为整数，每个开关单元具有导通电阻R，所述开关阵列被配置为根据从控制总线接收的控制信号接通和/或断开相应数目的开关单元以便调节接入传输通道的电阻；控制总线，其用于将控制信号传输给开关阵列；以及噪声模拟器，其被配置为模拟导电滑环中的电磁干扰。通过本发明，除了能够进行电能和电信号传输外，还可以更加真实地模拟导电滑环运行时的特性、如电阻变化、电磁噪声和瞬断特性。

Description

一种用于模拟导电滑环的模拟器及相应模拟方法

技术领域

本发明总体上涉及精密机械制造领域，具体而言涉及一种用于模拟导电滑环的模拟器。此外，本发明还涉及一种用于模拟导电滑环的方法。

背景技术

导电滑环用于机械地和电地连接两个相对旋转的旋转体，并在两个旋转体之间输送电能和信号。精密导电滑环属于高科技产品，用于为相对旋转的机构传输电能和电信号，一直以来被应用于尖端军事领域，是各种精密转台、离心机和惯导设备的关键器件。随着制造工艺的提高，民用领域也越来越多地使用此类产品，例如将其用在工业自动系统控制中。广泛应用于安防、工厂自动化、电力、金融、仪表、航空航天、军事、运输、建筑等机电设备上。

导电滑环的核心结构为定子和转子，这两部分发生相对旋转，并分别引出导线与两个旋转体相连，以实现两个旋转体之间的电能或者电信号的传输。导电滑环结构复杂，制造工艺难度大，发生相对旋转易产生磨损，因此是机器的薄弱机械环节，是限制系统寿命的关键因素。例如具有高速旋转部件的卫星，其寿命主要受限于滑环的使用寿命。因此，提高滑环使用寿命，能直接提高整个系统的使用时限，极大地降低了整个系统的使用和维护成本，具有巨大经济效益。

通过滑环的优化设计、制造材料的改进、制造工艺的提高等“开源”方式都能有效延长滑环的使用寿命，同时，在非测试滑环试验时，通过滑环模拟器减少导电滑环在地面测试、验证阶段的使用等“节流”方法也具有增加系统的有效工作寿命。但是，现阶段通常用导线或者添加干扰的信号线来模拟导电滑环上的电能或者电信号传输，但是不能准确地反映导电滑环上的电阻波动、瞬断等特性，难以模拟真实滑环。

导电滑环的转子和定子的相对旋转引起的电阻波动直接影响传输线路上的电平大小和信号质量，是影响信号传输质量的关键指标；瞬断特性导致线路的瞬时断开，将直接切断信号传输电平和能源供给，影响信号的准确传输和能源的有效输送。

因此，需要一种方案以在导电滑环进行信号传输等测试过程中模拟真实导电滑环的特性，从而更加真实地模拟整个系统的在轨运行状态，增加地面试验的准确性。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于模拟导电滑环的模拟器及相应模拟方法，通过该模拟器和/或该方法，除了能够进行电能和电信号传输外，还可以更加真实地模拟导电滑环运行时的特性、如电阻变化、电磁噪声和瞬断特性。

在本发明的第一方面，该任务通过一种用于模拟导电滑环的模拟器来解决，该模拟器包括一个或多个传输通道，其中每个传输通道包括：

开关阵列，其具有n个彼此并联的开关单元，其中n为整数，每个开关单元具有导通电阻R，所述开关阵列被配置为根据从控制总线接收的控制信号接通和/或断开相应数目的开关单元以便调节接入传输通道的电阻；

控制总线，其用于将控制信号传输给开关阵列；以及

噪声模拟器，其被配置为模拟导电滑环中的电磁干扰。

在本发明的一个扩展方案中规定，噪声模拟器被配置为输出所存储或所接收的电磁噪声，其中所述电磁噪声是从导电滑环中采集的。通过该扩展方案，可以真实地还原导电滑环上的电磁噪声。

在本发明的一个优选方案中规定，n满足下列不等式：

其中R2为导电滑环中的最小波动电阻。

通过该优选方案，可以可靠地模拟相应导电滑环的最小电阻波动。其中n越大，则电阻调节的分辨率越大。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述开关单元包括双向导通的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。在此，双向导通是指，电流可以在两个方向、即正向和反向上流动，使得模拟器的两个端子既可充当输入端，也可充当输出端。

在本发明的一个优选方案中规定，所述开关阵列还被配置为执行下列动作：

在模拟导电滑环传输线上的静态电阻R1的情况下接通数目k个开关单元，其中k满足下列等式：

和/或

在模拟导电滑环的电阻改变量R3的情况下相应地断开或接通数目h个开关单元，其中h满足下列等式：

通过该优选方案，可以准确地模拟导电滑环上的静态电阻以及电阻改变。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述开关阵列还被配置为执行下列动作：

在模拟导电滑环的瞬断时间t的情况下在瞬断时间t内断开全部开关单元。

通过该扩展方案，可以准确可靠地模拟导电滑环的转子与定子之间的瞬时断开、即瞬断。瞬断时间t是可设置的或可控制的。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于模拟导电滑环的方法来解决，该方法包括下列步骤：

确定导电滑环的待模拟电阻和待模拟电磁干扰；

根据所述待模拟电阻生成控制信号；

将所述控制信号输送给开关阵列以接通和/或断开相应数目的开关单元，使得接入模拟器的传输通道的电阻为所述待模拟电阻，所述开关阵列具有n个彼此并联的开关单元，其中n为整数，每个开关单元具有导通电阻R；以及

向传输通道输送待模拟电磁干扰。

在本发明的一个优选方案中规定，该方法还包括下列动作：

在模拟导电滑环的传输线路上的静态电阻R1的情况下致使开关阵列接通数目k个开关单元，其中k满足下列等式：

和/或

在模拟导电滑环的电阻改变量R3的情况下致使开关阵列相应地断开或接通数目h个开关单元，其中h满足下列等式：

在本发明的另一优选方案中规定，该方法还包括下列步骤：

在模拟导电滑环的瞬断时间t的情况下致使开关阵列在瞬断时间t内断开全部开关单元。

在本发明的一个扩展方案中规定，方法还包括下列步骤：

在导电滑环不转动的情况下测量并存储导电滑环的传输线路上的电磁噪声作为待模拟电磁噪声；以及

将所述待模拟电磁噪声输入到模拟器的传输通道中。

本发明至少具有下列有益效果：本发明提出的滑环模拟器，不仅可以实现导线上的电能、电信号传输，还能模拟滑环上的电特性、如电阻波动、电磁干扰、瞬断特性等；其中电阻波动为定子和转子发生相对转对时在传输线路上变现的电阻变化，电磁干扰为空间环境和电子线路对滑环环路上的噪声干扰，瞬断为定子和转子出现的瞬时短暂脱离并导致电信号的短暂传输终止；噪声模拟器可在传输导线上添加电噪声，模拟导电滑环传输线路上的电学噪声；开关阵列通过控制总线对每一路开关实现高速控制，通过开关接通数量控制传输线路上的电阻大小，以模拟导电滑环传输线路上的电阻波动，并通过开关的同时短暂断开模拟滑环的瞬断特性。

附图说明

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的用于模拟导电滑环的模拟器的示意图；以及

图2示出了根据本发明的模拟器的开关阵列的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明提出了一种基于高速开关阵列的滑环模拟器，其不仅可以实现导线上的电能、电信号传输，还能模拟滑环上的电特性、如电阻波动、电磁干扰、瞬断特性。其中电阻波动为定子和转子发生相对转对时在传输线路上变现的电阻变化，电磁干扰为空间环境和电子线路对滑环环路上的噪声干扰，瞬断为定子和转子出现的瞬时短暂脱离并导致电信号的短暂传输终止。导电滑环模拟器包括噪声模拟器、开关阵列、可选的控制总线、导线、可选的壳体。噪声模拟器用于在传输导线上添加电噪声，模拟导电滑环传输线路上的电学噪声；开关阵列通过控制总线对每一路开关实现高速控制，通过开关接通数量控制传输线路上的电阻大小，以模拟导电滑环传输线路上的电阻波动，并通过开关的同时短暂断开模拟滑环的瞬断特性。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的用于模拟导电滑环的模拟器100的示意图。

如图1所示，根据本发明的用于模拟导电滑环的模拟器100包括多个传输通道1-n。导电滑环通常为多路，因此可采用多个传输通道来模拟多通道滑环，但是单通道滑环也是可设想的。每个传输通道1-n均包括下列部件，其中一些部件是可选部件：

·开关阵列102，其具有n个彼此并联的开关单元(未示出)，其中n为整数，每个开关单元具有导通电阻R，所述开关阵列被配置为根据从控制总线103接收的控制信号接通和/或断开相应数目的开关单元以便调节接入传输通道的电阻。所述开关单元例如是双向导通的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。在此，双向导通是指，电流可以在两个方向、即正向和反向上流动，使得模拟器的两个端子既可充当输入端，也可充当输出端，由此实现双向的电流和电能传输。其它开关也是可设想的、例如三极管开关。

·控制总线103，其用于将控制信号传输给开关阵列102。控制总线103将开关阵列102连接到控制器以实现开关单元的控制。

·噪声模拟器101，其被配置为模拟导电滑环中的电磁干扰。例如，噪声模拟器101被配置为输出所存储或所接收的电磁噪声，其中所述电磁噪声是从导电滑环中采集的，由此实现导电滑环中的更真实的电磁噪声模拟。

·传输导线104,其用于将传输通道中的各组件彼此电连接。在此，噪声模拟器101和开关阵列102彼此串联。

·可选的壳体105，其用于容纳模拟器100的各组件。

图2示出了根据本发明的模拟器100的开关阵列102的示意图。

如图2所示，开关阵列102包括下列部件，其中一些部件是可选部件：

·多个开关单元201(在本实施例中为4个，但是其它数目也是可设想的)，所述开关单元201彼此并联，并且它们的控制端203连接到控制单元204的输出端，其中控制单元204的输出端处的输出信号可控制相应开关单元201的通断。开关单元201例如是CMOS双向开关并且，控制单元201例如为选通器件，其选通输入端205连接到控制总线，由于CMOS双向开关201可以双向导通，因此输入输出端202无输入和输出之分，对控制端203施加控制信号可以控制CMOS双向开关的导通和断开。单个CMOS双向开关201例如可以实现数十毫欧级的导通电阻及纳秒级的开关速度，可以用于模拟导电滑环上毫欧级的电阻波动和纳秒级的瞬断。

下面阐述模拟器100的各工作模式。

噪声模拟：噪声模拟器101可以模拟导电滑环上的电磁干扰，例如空间电磁场在电刷上引起的电磁干扰。噪声模拟过程包含以下步骤：

1)在导电滑环不转动情况下，测量和存储传输线路上的电磁噪声。

2)将存储的噪声置入噪声模拟器101内部，循环添加采集的噪声，在导电滑环模拟过程中，一直循环执行。

电阻波动模拟：电阻波动指导电滑环转动过程中，传输线路上的电阻变化，通常用测量的最大值减去电阻测量最小值。

具体实施步骤为：

1)静止导电滑环，测量导电滑环传输线上的静态电阻R1。

2)利用电机带动滑环按照预定转速旋转一周，测量并存储导3)电滑环传输线路上的电阻值序列，并计算电阻序列最小波动电阻R2。

3)测量单个CMOS双向导通开关的导通电阻为R,开关阵列单元的数目n需满足下式：

开关阵列单元n数量越多，电阻调节分辨率越高，能够模拟更细腻的电阻波动。

4)用步骤1)中测量的静态电阻R1和步骤3)中测量的CMOS双向导通开关的导通电阻R，计算在模拟导电滑环静态时需接通的开关数量k,数量k满足

通过控制端205向控制器输入开关数量命令，使得双向开关201接通的数量为k。

5)依次从步骤2)获取的电阻测量值中取出电阻值与上一个电阻值比较，第一个值与步骤1)中的静态电阻R比较，计算需要增加或者减少的双向开关201的数量，设定电阻增加R3,则需要断开的双向开关201数量h满足

若电阻波动导致电阻减少R3,则需额外接通h个双向开关，并在之前的导通开关数量上通过加减h计算最终需要接通的双向开关201数量m。

6)重复步骤5)直至步骤2)中的电阻值序列输出完毕，得到控制开关数量m序列。

7)将数量m序列按顺序通过控制总线205输入给控制器204，控制器204将根据命令控制每个开关的控制端203，控制整个阵列接通的开关数量为m，直至序列输出完毕。

8)重复步骤7)使得导电滑环模拟过程一直循环持续。

上述设计中，需挑选具有合适导通电阻R的CMOS双向开关，使得增加或者减少的开关数量h满足h≥0且

h≤n-k

瞬断特性模拟：瞬断特性表型为传输线路上的短暂瞬时断开，可以通过控制双向开关201的接通数量为0实现。实施步骤为：

1)利用电机带动滑环按照预定转速旋转，用滑环测试仪测量转动过程中出现的瞬断时间t。

2)电阻波动模拟的步骤7)执行过程中，记录当前接通数量为j，通过控制总线205输入接通开关数量0的指令给控制器204，t时间后，通过控制总线205输入接通开关数量j的指令给控制器204，实现时长为t的瞬断。

3)按所需模拟的导电滑环的瞬断频率重复执行步骤2)。

本发明至少具有下列有益效果：本发明提出的滑环模拟器，不仅可以实现导线上的电能、电信号传输，还能模拟滑环上的电特性、如电阻波动、电磁干扰、瞬断特性等；其中电阻波动为定子和转子发生相对转对时在传输线路上变现的电阻变化，电磁干扰为空间环境和电子线路对滑环环路上的噪声干扰，瞬断为定子和转子出现的瞬时短暂脱离并导致电信号的短暂传输终止；噪声模拟器可在传输导线上添加电噪声，模拟导电滑环传输线路上的电学噪声；开关阵列通过控制总线对每一路开关实现高速控制，通过开关接通数量控制传输线路上的电阻大小，以模拟导电滑环传输线路上的电阻波动，并通过开关的同时短暂断开模拟滑环的瞬断特性。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (7)

1.一种用于模拟导电滑环的模拟器，包括一个或多个传输通道，其中每个传输通道包括：

开关阵列，其具有n个彼此并联的开关单元，其中n为整数，每个开关单元具有导通电阻R，所述开关阵列被配置为根据从控制总线接收的控制信号接通和/或断开相应数目的开关单元以便调节接入传输通道的电阻，其中所述开关单元包括双向导通的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，并且所述开关阵列还被配置为执行下列动作：

在模拟导电滑环传输线上的静态电阻R1的情况下接通数目k个开关单元，其中k满足下列等式：

以及

在模拟导电滑环的电阻改变量R3的情况下相应地断开或接通数目h个开关单元，其中h满足下列等式：

控制总线，其用于将控制信号传输给开关阵列；以及

噪声模拟器，其被配置为模拟导电滑环中的电磁干扰。

2.根据权利要求1所述的模拟器，其中噪声模拟器被配置为输出所存储或所接收的电磁噪声，其中所述电磁噪声是从导电滑环中采集的。

3.根据权利要求1所述的模拟器，其中n满足下列不等式：

其中R2为导电滑环中的最小波动电阻。

4.根据权利要求1所述的模拟器，其中所述开关阵列还被配置为执行下列动作：

在模拟导电滑环的瞬断时间t的情况下在瞬断时间t内断开全部开关单元。

5.一种用于模拟导电滑环的方法，包括下列步骤：

确定导电滑环的待模拟电阻和待模拟电磁干扰；

根据所述待模拟电阻生成控制信号；

将所述控制信号输送给开关阵列以接通和/或断开相应数目的开关单元，使得接入模拟器的传输通道的电阻为所述待模拟电阻，所述开关阵列具有n个彼此并联的开关单元，其中n为整数，每个开关单元具有导通电阻R，其中所述开关单元包括双向导通的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，包括下列动作：

在模拟导电滑环的传输线路上的静态电阻R1的情况下致使开关阵列接通数目k个开关单元，其中k满足下列等式：

以及

在模拟导电滑环的电阻改变量R3的情况下致使开关阵列相应地断开或接通数目h个开关单元，其中h满足下列等式：

以及

向传输通道输送待模拟电磁干扰。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括下列步骤：

在模拟导电滑环的瞬断时间t的情况下致使开关阵列在瞬断时间t内断开全部开关单元。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括下列步骤：

在导电滑环不转动的情况下测量并存储导电滑环的传输线路上的电磁噪声作为待模拟电磁噪声；以及

将所述待模拟电磁噪声输入到模拟器的传输通道中。

Images