CN110413015A - 基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台及测试方法，该微推力动态测试台包括：摆臂、标定线圈、标定磁铁、标定控制器、位移传感器、位移传感器卡件、PID闭环控制模块、位移计控制器、阻尼机构、驱动力线圈、挠性轴机构和底座；摆臂通过挠性轴机构安装在底座上；标定线圈缠绕在标定磁铁外侧、与标定控制器连接；驱动力线圈、位移计控制器和标定磁铁依次设置在摆臂上；驱动力线圈、位移计控制器和位移传感器分别与PID闭环控制模块连接；阻尼机构与摆臂靠近驱动力线圈的一端间隔设置，摆臂的另一端上设置有待测推力器安装工位。通过本发明能够有效提升微推力动态测试台的固有频率，实现微牛量级的微推力动态测试。
Description
技术领域
本发明属于物理力学技术领域，尤其涉及一种微牛量级微推力动态测试台及测试方法。
背景技术
随着微纳卫星以及用于重力场、引力波探测的无拖曳卫星技术发展，要求其卫星配置高精度的微推进系统。现阶段国内外在发展的微型推力器技术主要包括：MEMS微推力器阵列、电喷雾推力器、微牛级冷气推力器等，推力大小为微牛到毫牛量级。推力器工作时，其推力上升时间尺度基本为几十毫秒到几百毫秒量级，获取其动态推力的特性，对微型推力器的优化设计、工作机理认识都有着重要的作用。
目前通常采用的推力测试方法为：基于压电传感器的推力测试。基于压电传感器的推力测试虽然能够实现高频响的推力测试，但是其推力测试大小均为百豪牛量级以上，不能实现微牛量级的推力动态测试。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种微牛量级微推力动态测试台及测试方法，能够有效提升微推力动态测试台的固有频率，实现微牛量级的微推力动态测试。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，包括：摆臂(1)、标定线圈(2)、标定磁铁(3)、标定控制器(4)、位移传感器(5)、位移传感器卡件(6)、PID闭环控制模块(7)、位移计控制器(8)、阻尼机构(9)、驱动力线圈(10)、挠性轴机构(11)和底座(12)；
摆臂(1)通过挠性轴机构(11)安装在底座(12)上；
标定线圈(2)缠绕在标定磁铁(3)外侧、与标定控制器(4)连接；
驱动力线圈(10)、位移计控制器(8)和标定磁铁(3)依次设置在摆臂(1)上；其中，位移计控制器(8)通过位移传感器卡件(6)与位移传感器(5)连接；
驱动力线圈(10)、位移计控制器(8)和位移传感器(5)分别与PID闭环控制模块(7)连接；
阻尼机构(9)与摆臂(1)靠近驱动力线圈(10)的一端间隔设置，摆臂(1)的另一端上设置有待测推力器安装工位(13)；其中，在微推力动态测试时，待测推力器(14)置于待测推力器安装工位(13)、与PID闭环控制模块(7)连接。
在上述基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台中，还包括：支架Ⅰ(16)、支架Ⅱ(17)和支架Ⅲ(18)；
阻尼机构(9)和位移传感器(5)分别通过支架Ⅰ(16)和支架Ⅱ(17)固定在底座(12)上；
底座(12)通过支架Ⅲ(18)固定。
在上述基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台中，阻尼机构(9)，包括：阻尼器(19)、永磁铁(20)和阻尼板(21)；
阻尼板(21)与摆臂(1)靠近驱动力线圈(10)的一端连接；
阻尼器(19)为U型结构，永磁铁(20)设置在阻尼器(19)内壁上；
阻尼板(21)伸出摆臂(1)的一端水平设置在阻尼器(19)的U型结构空腔内。
在上述基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台中，还包括：配重(15)；其中，所述配重(15)设置在摆臂(1)上、与阻尼板(21)相邻。
在上述基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台中，挠性轴机构(11)，包括：衔接件(22)、两个挠性枢轴构成的挠性轴(23)和连接件(24)；
衔接件(22)与连接件(24)竖直设置，通过挠性轴(23)连接；其中，连接件(24)的一端与底座(12)连接，衔接件(22)的一端与摆臂(1)连接。
在上述基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台中，位移传感器(5)与驱动力线圈(10)相邻设置，标定磁铁(3)与待测推力器安装工位(13)相邻设置，位移传感器(5)和标定磁铁(3)分别位于挠性轴(23)的轴线两侧。
在上述基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台中，还包括：真空仓(25)；其中，摆臂(1)、标定线圈(2)、标定磁铁(3)、位移传感器(5)、位移传感器卡件(6)、位移计控制器(8)、阻尼机构(9)和驱动力线圈(10)均设置在真空仓(25)内。
本发明还公开了一种微推力动态测试方法，包括：
将待测推力器(14)置于待测推力器安装工位(13)上，并对微推力动态测试台进行调平；
通过标定控制器(4)加载电流给标定线圈(2)，使标定线圈(2)与标定磁铁(3)之间产生电磁力，通过产生的电磁力进行标定和反馈补偿；
驱动待测推力器(14)工作，并通过位移传感器(5)测量得到待测推力器(14)的转动位移；
根据测量得到的转动位移，通过PID闭环控制模块(7)计算得到驱动力线圈(10)的输出驱动力；
根据计算得到的输出驱动力，向微推力动态测试台施加外部作用力，以保证微推力动态测试台处于平衡位置；
通过PID闭环控制模块(7)采集得到微推力动态测试台闭环反馈输出的推力变化值，从而确定待测推力器(14)的推力。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试方案，提升了微推力动态测试台的响应频率，能够将微推力动态测试台的频率提升至10Hz以上，有利于提升微推力动态测试台对动态推力的测试能力，实现微牛量级的微推力动态测试。
(2)基于PID闭环控制模块，可以实现百赫兹以上的固有频率。
(3)PID闭环控制模块和阻尼机构的设置能够抑制环境噪声对于微推力动态测试台的影响，很好的抑制的外界噪声的影响。
(4)采用了低扭矩枢轴以及高精度位移传感器，可以实现0.1μN分辨率推力测试，完成μN量级高精度测试。。
(5)采用模块化设计，便于拆卸以及安装。
(6)真空适应性强，采用低放气率材料。
(7)通过更换挠性轴、调节传感器位置，可以实现变量程测试。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台的俯视图；
图2是本发明实施例中一种基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台的正视图；
图3是本发明实施例中一种传递函数框图；
图4是本发明实施例中一种微推力器的典型工况示意图；
图5是本发明实施例中一种理想梯形输入波形示意图；
图6是本发明实施例中一种幅值为5μN时的仿真结果示意图；
图7是本发明实施例中一种幅值为30μN时的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
在本实施例中，该基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，包括：摆臂1、标定线圈2、标定磁铁3、标定控制器4、位移传感器5、位移传感器卡件6、PID闭环控制模块7、位移计控制器8、阻尼机构9、驱动力线圈10、挠性轴机构11和底座12。
如图1和图2，摆臂1通过挠性轴机构11安装在底座12上。标定线圈2缠绕在标定磁铁3外侧、与标定控制器4连接。驱动力线圈10、位移计控制器8和标定磁铁3依次设置在摆臂1上；其中，位移计控制器8通过位移传感器卡件6与位移传感器5连接。驱动力线圈10、位移计控制器8和位移传感器5分别与PID闭环控制模块7连接。阻尼机构9与摆臂1靠近驱动力线圈10的一端间隔设置，摆臂1的另一端上设置有待测推力器安装工位13；其中，在微推力动态测试时，待测推力器14置于待测推力器安装工位13、与PID闭环控制模块7连接。
在本实施例中，标定控制器4加载电流给标定线圈2，使之与标定磁铁3之间产生电磁力，用于标定和反馈补偿。标定的目的是获得测量系统的系统参数、动静态特性参数。其中，该电磁力基本部分包括：永磁铁和多匝的线圈，将线圈放置在永磁铁产生的高密度磁场中，并通以直流电，在磁场和线圈之间产生的力直接与电流成比例。主要优势在于：传递函数是严格线性的；力矢量是双向的；标定磁铁安装在摆臂上，无需管线等的连接，避免了对摆臂运动的干扰；在线圈和磁铁之间轻微的轴向未对准并不影响传递函数；在线圈和磁铁之间的微小相对位移也不会影响传递函数；可由标准的低功率电源直接驱动。考虑采用多匝线圈与磁场相互作用产生电磁力。考虑到线圈输入电流范围和电磁力范围，拟采用多个匝数线圈，设定多个接线端子，保证每个匝数线圈都能工作在最佳的工作范围。设置线圈共有20匝。磁铁采用Φ50mm×3mm铁氧体永磁铁。
在本发明的一优选实施例中，挠性轴机构11具体可以包括：衔接件22、挠性轴23和连接件24。其中，衔接件22与连接件24竖直设置，通过挠性轴23连接；连接件24的一端与底座12连接，衔接件22的一端与摆臂1连接。
摆臂1、挠性轴机构11和底座12构成了扭摆式台架，挠性轴23是扭摆式台架的核心，挠性轴23几乎无摩擦，两个挠性枢轴是与扭摆的唯一物理接触，挠性枢轴提供所需的扭转刚度系数及承载能力，。进一步的，可根据推力范围要求更换挠性枢轴，也即，可以在不更改主体结构的前提下实现测试量程的变更。
例如，可以选择C-Flex AD-20，扭转刚度约为2×10-4Nm/°的挠性轴，以满足0～1000uN的测力量程，在此挠性轴的扭摆下，1000uN的推力可使得摆端移动约20um，结合高的精度位移计可实现0.1μN的测力分辨率。
优选的，如图1，位移传感器5与驱动力线圈10相邻设置，标定磁铁3与待测推力器安装工位13相邻设置，位移传感器5和标定磁铁3分别位于挠性轴23的轴线两侧。
在本发明的一优选实施例中，阻尼机构9具体可以包括：阻尼器19、永磁铁20和阻尼板21。其中，阻尼板21与摆臂1靠近驱动力线圈10的一端连接；阻尼器19为U型结构，永磁铁20设置在阻尼器19内壁上；阻尼板21伸出摆臂1的一端水平设置在阻尼器19的U型结构空腔内。
在本发明的一优选实施例中，该基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，还可以包括：支架Ⅰ16、支架Ⅱ17和支架Ⅲ18。其中，阻尼机构9和位移传感器5分别通过支架Ⅰ16和支架Ⅱ17固定在底座12上；底座12通过支架Ⅲ18固定。
在本发明的一优选实施例中，该基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，还可以包括：配重15。其中，所述配重15设置在摆臂1上、与阻尼板21相邻。
在本发明的一优选实施例中，该基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，还可以包括：真空仓25。其中，摆臂1、标定线圈2、标定磁铁3、位移传感器5、位移传感器卡件6、位移计控制器8、阻尼机构9和驱动力线圈10均设置在真空仓25内。
基于上述实施例，在本实施例中，该基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台基于典型的二阶质量-弹簧-阻尼力学模型实现：
其中，θ表示摆臂的位移角，J表示微推力动态测试台相对于转轴的转动惯量，c表示阻尼系数，k表示等效弹性系数，MT表示待测推力器产生的力矩，b表示力臂长度，FT表示输出推力。在测量过程中，微推力动态测试台做小幅振动，力的作用点和方向固定，力臂不变，所以MT∝FT。
引入阻尼比ζ，无阻尼自振角频率ωn，有阻尼自振角频率ωd，则有标准振动方程：
其中，ωn＝2π/Tn，Tn表示测试采样周期。
在本实施例中，PID闭环控制模块的传递函数框图如图3所示。将位移角θ作为PID闭环控制模块的输入，输出一定的电流给驱动力线圈，产生反馈平衡力以抵消推力。调整控制参数KP和KD，使微推力动态测试台始终处于零位稳定状态。整个传递函数可由传递函数框图得到：
V(s)表示位移函数、FT(s)表示推力函数、s表示函数变量、am表示位移测量长度、af表示反馈力臂长度、Kt表示位移传感器常量、Kc表示电流源常量、Kf表示电流推力转换系数、KD表示闭环控制微分环节系数、KP表示闭环控制比例环节系数、KI表示闭环控制积分环节系数。
当扭摆处于零位状态时，测得的反馈力力臂即为推力力臂，则推力可用下式计算：
FT(t)＝affC(t)/b
根据传递函数以得出等效的固有频率ω'n和阻尼比ζ'：
可以看出，添加PID控制回路后，微推力动态测试台的振动频率增加，并且可以由比例系数KP进行有效调节，从而达到提高微推力动态测试台固有频率的目的。
在本实施例中，为便于对测量数据进行电路处理，位移传感器用电压输出方式，这时输出为模拟电压信号，机械零点在传感器前端面，电零点可在整个测量范围内任意设定，例如，设定：Kt＝10000V/m。为避免摆臂回摆时伤及传感器探头，传感器测量范围为0～1mm，有效输出范围0～6V，设定起始测量位置(电零点)取在P0＝400μm。其余参量设计取值分别为：am＝0.16m、af＝0.16m、b＝0.08m、k＝1.28N·m/rad(以推力范围0～100mN为例)、J＝0.0128kgm2。Kc＝0.7A/V、Kf＝0.5N/A。
根据以上参数，当KP达到9以上，微推力动态测试台的固有频率即可达到40Hz以上。
在实际测量时，由于待测推力器推力自身的不断变化，以及电磁力响应速度的问题，扭摆位置有可能在其初始平衡位置处左右摆动，此时，需要实时测量扭摆转角，通过一定的换算关系解算动态推力，推导过程如下：
对传递函数进行如下变换：
化为标准方程：
定义状态向量x(t)和控制变量u(t)：
u(t)＝MT(t)/J
式(1)可表示为：
其中，状态矩阵控制矩阵
假设扭转角度的采样周期为Ts，各采样时刻t＝nTs(n≥0)。在零阶保持条件下，输入u(t)满足：
u(t)＝u(n)，nTs≤t≤(n+1)Ts
对式(2)离散化可得：
x(n+1)＝Gx(n)+Hu(n)···式(3)
其中，
状态转移矩阵：
则G和H分别为：
将G和H的表达式代入式(3)，得到u(n)的递推关系式：
上述得到的u(n)的递推关系式，是离散化的递推公式，便于计算机求解，显然只要给定状态向量的初始条件以及采样扭转角，就可以递推获得任意采样时刻的输入，将u(n)＝M(n)/J代入上述得到的u(n)的递推关系式，可得如下式(4)：
其中，k′＝Jω'n 2。式(4)中角速度和外力矩都是通过迭代计算获得的，角度信号则通过测量获得。在一般测量条件下，式(4)迭代的初始角度和角速度均为0。根据式(4)即可实时计算得出外力矩大小与角速度大小，进而求得动态外力大小。
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台的微推力动态测试方法，包括：将待测推力器14置于待测推力器安装工位13上，并对微推力动态测试台进行调平；通过标定控制器4加载电流给标定线圈2，使标定线圈2与标定磁铁3之间产生电磁力，通过产生的电磁力进行标定和反馈补偿；驱动待测推力器14工作，并通过位移传感器5测量得到待测推力器14的转动位移；根据测量得到的转动位移，通过PID闭环控制模块7计算得到驱动力线圈10的输出驱动力；根据计算得到的输出驱动力，向微推力动态测试台施加外部作用力，以保证微推力动态测试台处于平衡位置；通过PID闭环控制模块7采集得到微推力动态测试台闭环反馈输出的推力变化值，从而确定待测推力器14的推力。
微牛量级的待测推力器安装到微牛量级微推力动态测试台上，对微牛量级微推力动态测试台进行调平，在微牛量级微推力动态测试台响应噪声达到稳定后，控制程序控制待测推力器工作，产生推力力矩，当摆臂感受到推力力矩时，位移传感器测量到摆臂相对于初始平衡位置的变化。数据采集器的A/D端实时采集位移数据，然后根据PID闭环控制算法，确定D/A端输出量(电压或电流)的大小。由于数据采集器的输出电压或电流范围有限，该电压或电流经过施力装置控制器进行放大，然后再施加到施力器上，施力器产生反向的力使摆臂回复到初始平衡位置。这一过程的时间为摆臂的固有周期，对应频率为固有频率，约为100Hz量级。抵抗推力器推力的施力器的推力与推力器的实时推力的大小相等，方向相反。因此，施力器的施加力(补偿力)大小视为实测的推力器推力。实时的动态平衡中，施力器的动态作用力即为待测推力器的待测动态推力。
下面以一个典型的动态推力仿真实例进行说明：
如图4，假设微推力器推力可分为为0～5μN、0～30μN，典型工况为：稳态工作情况，推力起始时间T0为5ms，推力上升时间T90为1ms，推力下升时间T10为30.5ms。综合微推力器的工作情况，推力波形可近似为梯形脉冲。为便于分析，假设输入的力矩波形为梯形，理想梯形输入波形如图5所示。
理想梯形用分段函数表示为：
设置仿真条件为：t1＝0.001s，t2＝0.03s，Ts＝0.00001s(采样率为10kHz)，ζ＝0.707，ωn＝251.2rad/s，幅值A分别为5μN、30μN，实际输入和计算输入之间的关系及误差分别如图6、图7所示。
由图6、图7可以看出，当推力幅值分别为5μN、30μN时，产生的推力误差基本产生在推力曲线骤变时，比如推力产生时、推力进入平稳段时、推力突然下降时和推力消失时，但最大误差均不超过0.05μN、0.3μN，即不超过最大误差的1％。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，其特征在于，包括：摆臂(1)、标定线圈(2)、标定磁铁(3)、标定控制器(4)、位移传感器(5)、位移传感器卡件(6)、PID闭环控制模块(7)、位移计控制器(8)、阻尼机构(9)、驱动力线圈(10)、挠性轴机构(11)和底座(12)；
摆臂(1)通过挠性轴机构(11)安装在底座(12)上；
标定线圈(2)缠绕在标定磁铁(3)外侧、与标定控制器(4)连接；
驱动力线圈(10)、位移计控制器(8)和标定磁铁(3)依次设置在摆臂(1)上；其中，位移计控制器(8)通过位移传感器卡件(6)与位移传感器(5)连接；
驱动力线圈(10)、位移计控制器(8)和位移传感器(5)分别与PID闭环控制模块(7)连接；
阻尼机构(9)与摆臂(1)靠近驱动力线圈(10)的一端间隔设置，摆臂(1)的另一端上设置有待测推力器安装工位(13)；其中，在微推力动态测试时，待测推力器(14)置于待测推力器安装工位(13)、与PID闭环控制模块(7)连接。
2.根据权利要求1所述的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，其特征在于，还包括：支架Ⅰ(16)、支架Ⅱ(17)和支架Ⅲ(18)；
阻尼机构(9)和位移传感器(5)分别通过支架Ⅰ(16)和支架Ⅱ(17)固定在底座(12)上；
底座(12)通过支架Ⅲ(18)固定。
3.根据权利要求1所述的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，其特征在于，阻尼机构(9)，包括：阻尼器(19)、永磁铁(20)和阻尼板(21)；
阻尼板(21)与摆臂(1)靠近驱动力线圈(10)的一端连接；
阻尼器(19)为U型结构，永磁铁(20)设置在阻尼器(19)内壁上；
阻尼板(21)伸出摆臂(1)的一端水平设置在阻尼器(19)的U型结构空腔内。
4.根据权利要求3所述的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，其特征在于，还包括：配重(15)；其中，所述配重(15)设置在摆臂(1)上、与阻尼板(21)相邻。
5.根据权利要求1所述的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，其特征在于，挠性轴机构(11)，包括：衔接件(22)、两个挠性枢轴构成的挠性轴(23)和连接件(24)；
衔接件(22)与连接件(24)竖直设置，通过挠性轴(23)连接；其中，连接件(24)的一端与底座(12)连接，衔接件(22)的一端与摆臂(1)连接。
6.根据权利要求5所述的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，其特征在于，位移传感器(5)与驱动力线圈(10)相邻设置，标定磁铁(3)与待测推力器安装工位(13)相邻设置，位移传感器(5)和标定磁铁(3)分别位于挠性轴(23)的轴线两侧。
7.根据权利要求1所述的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台，其特征在于，还包括：真空仓(25)；其中，摆臂(1)、标定线圈(2)、标定磁铁(3)、位移传感器(5)、位移传感器卡件(6)、位移计控制器(8)、阻尼机构(9)和驱动力线圈(10)均设置在真空仓(25)内。
8.一种基于权利要求1所述的基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台的微推力动态测试方法，其特征在于，包括：
将待测推力器(14)置于待测推力器安装工位(13)上，并对微推力动态测试台进行调平；
通过标定控制器(4)加载电流给标定线圈(2)，使标定线圈(2)与标定磁铁(3)之间产生电磁力，通过产生的电磁力进行标定和反馈补偿；
驱动待测推力器(14)工作，并通过位移传感器(5)测量得到待测推力器(14)的转动位移；
根据测量得到的转动位移，通过PID闭环控制模块(7)计算得到驱动力线圈(10)的输出驱动力；
根据计算得到的输出驱动力，向微推力动态测试台施加外部作用力，以保证微推力动态测试台处于平衡位置；
通过PID闭环控制模块(7)采集得到微推力动态测试台闭环反馈输出的推力变化值，从而确定待测推力器(14)的推力。
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