CN114279467B - 一种反作用飞轮性能参数智能评估系统及其评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反作用飞轮性能参数智能评估系统及其评估方法，其包括上位机、数据采集单元以及多个反作用飞轮，数据采集单元通过其内置通讯转换模块建立上位机与多个反作用飞轮的数据传输通道；由人机界面有序发出测试反作用飞轮相关性能的控制指令，并收集数据采集单元及反作用飞轮传输回来的数据，并把所有收集到的数据传输给上位机，由上位机处理从人机界面收到的原始数据，输出计算结果返回给人机界面，由人机界面把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出。应用本发明可以解决现有技术中存在的不足，能够全自动地测量反作用飞轮性能参数，同时具备效率高，测量精准，更规范化，不受主观影响等特点。

Description

一种反作用飞轮性能参数智能评估系统及其评估方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种反作用飞轮性能参数智能评估系统以及应用于该系统的评估方法。

背景技术

飞轮是卫星姿态控制系统中的惯性执行部件。在卫星姿控系统中，飞轮按照姿控系统指令，提供合适的控制力矩，校正卫星的姿态偏差或完成预定姿态调整。飞轮一般分为反作用飞轮和偏置飞轮，反作用飞轮是卫星姿态控制系统中的主要执行部件，通过改变反作用飞轮的动量矩矢量，就可以改变航天器的动量矩矢量，从而达到卫星姿态控制的目的。

反作用飞轮最常用的两种控制方式为电流控制和速度控制。电流控制以飞轮电机的电枢电流作为反馈量，不考虑飞轮动力学部分；速度控制以飞轮轮速为反馈量，反馈回路中包含了飞轮动力学部分。

目前，传统的性能参数测量都是由专业技术人员，手动测试，手动提取数据，环节复杂，消耗时间长，容易出现测量偏差，受主观影响很大，不够规范。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反作用飞轮性能参数智能评估系统及其评估方法，其主要解决了现有技术中存在的不足，能够全自动地测量反作用飞轮性能参数，同时具备效率高，测量精准，更规范化，不受主观影响等特点。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种反作用飞轮性能参数智能评估系统，包括上位机、数据采集单元以及多个反作用飞轮，所述上位机为通过控制软件模块可执行操作者指令的包含人机界面的终端设备，数据采集单元通过其内置通讯转换模块建立上位机与多个反作用飞轮的数据传输通道，由通讯转换模块提供多种接口，同时将上位机发出的通讯接口数据转换为反作用飞轮可识别的数据形式，以实现上位机与反作用飞轮之间的通讯；由人机界面有序发出测试反作用飞轮相关性能的控制指令，并收集数据采集单元及反作用飞轮传输回来的数据，并把所有收集到的数据传输给上位机，由上位机处理从人机界面收到的原始数据，截取数据、参数计算后，输出计算结果返回给人机界面，由人机界面把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出。

进一步的方案是，由人机反作用飞轮界面提供反作用飞轮编号、转动惯量J、质量m、供电电压U等数据、基础参数输入接口以及一键测试反作用飞轮的启动、暂停、停止等功能按钮。

更进一步的方案是，数据采集单元包括供电接口、稳恒直流电源、通讯转换模块、数据采集模块、控制电路，稳恒直流电源接收经由供电接口输入的交流电源，由稳恒直流电源通过电源接口提供给反作用飞轮电压，反作用飞轮将在浮地驱动桥电路的驱动下达到稳态转速状态，控制电路通过通讯转换模块将数据采集模块测量到的反作用飞轮的稳态转速状态下的数据传送给上位机。

更进一步的方案是，数据采集模块包括电压传感器、电流传感器、位置传感器，控制电路通过通讯转换模块将电压传感器、电流传感器、位置传感器测量到的反作用飞轮的稳态转速状态下的电压信号、电流信号和转速信号传送给上位机，上位机的后处理软件模块将收到的电压信号、电流信号和转速信号经过数据拟合计算出反作用飞轮的参数。

一种反作用飞轮性能参数智能评估系统的评估方法，所述反作用飞轮性能参数智能评估系统是采用上述的反作用飞轮性能参数智能评估系统，该方法包括以下步骤：在人机界面输入飞轮数据采集指令和转速、以及电压电流提取协议；将多个待测试反作用飞轮的电源、通讯接口与数据采集单元连接，并接通电源；在人机界面输入飞轮编号、转动惯量J、质量m、供电电压U等数据；点击测试按钮，建立上位机与多个待测试反作用飞轮的数据传输通道，开始测试；由人机界面有序发出测试反作用飞轮相关性能的控制指令，并收集数据采集单元及反作用飞轮传输回来的数据，并把所有收集到的数据传输给上位机，由上位机计算反作用飞轮待机功耗、飞轮稳态功耗、反作用飞轮最大功耗、损耗力矩、最大角动量、转速控制精度、自由停机时间、最大反作用力矩等；待测试完成后，由人机界面把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出。

进一步的方案是，当开始测试后，采集飞轮待机时供电电流数据I₀，发送第一转速控制指令，当转速达到第一预设转速后采集转速数据n₁、供电电流数据I₁及转矩数据T₁；发送第二转速控制指令，当转速达到第二预设转速后采集转速数据n₃、供电电流数据I₃及转矩数据T₃；发送第三转速控制指令，当转速达到第三预设转速后采集转速数据n₆、供电电流数据I₆及转矩数据T₆；发送最高转速控制指令n_max检测是否达到最高转速，如是，发送自动停机指令，采集停机过程的转速数据n_stop，记录时间t_start，当转速达到0_rpm，记录时间t_end；发送最大转矩减速指令，采集加减速过程的转速数据n_a及供电电流数据I_max及转矩数据T_a；发送转速控制指令0_rpm，转速达到0_rpm后关闭反作用飞轮电机。

更进一步的方案是，计算反作用飞轮待机功耗，包括：截取飞轮待机时供电电流数据I₀，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，计算得到反作用飞轮待机功耗，表示为公式(1)：

P_0＝U*I₀ (1)

计算飞轮稳态功耗，包括：截取飞轮稳速时供电电流数据I₁、I₃、I₆，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，计算得到飞轮稳态功耗，表示为公式(2)：

计算反作用飞轮最大功耗，包括：截取飞轮最大力矩加减速时供电电流数据I_max，，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，表示为公式(3)：

P_max＝U*I_max (3)。

更进一步的方案是，计算损耗力矩，包括：截取飞轮稳速时供电电流数据T₁、T₃、T₆，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值得到相应转速下的损耗力矩；计算转速控制精度，包括：截取飞轮稳速时转速数据n₁、n₃、n₆，分别取n₁、n₃、n₆数组中最大值，减去数组中最小值，得到个该转速下的转速控制精度。

更进一步的方案是，计算最大角动量，表示为公式(4)：

其中，J为飞轮转动惯量kg·m²，n_max为飞轮角速度r/min。

更进一步的方案是，计算最大反作用力矩，包括：截取飞轮以最大力矩加减速时的转速数据n_a，提取-n_max到n_max，转速数据对时间t的斜率k₊，提取n_max到-n_max，计算转速数据对时间t的斜率k_-，其飞轮输出最大力矩表示为公式(5)：

其中，T_s+为飞轮正转输出最大力矩N·m，T_s-为飞轮反转输出最大力矩N·m，n为转速r/min，J为飞轮转动惯量kg·m²，t为时间。

由此可见，本发明可以同时测量多个飞轮，大大提高了效率，能准确地预估出飞轮组在轨期间不同运行状况下的功耗、损耗力矩、最大角动量、转速控制精度、自由停机时间、最大反作用力矩等，采用本发明提供的方法及系统测量飞轮稳态功耗、损耗力矩等不会造成较大误差，同时把复杂的算法固化在后处理软件中，可以减轻技术人员的工作量和降低了误操作的几率。

所以，通过本发明所述的评估方法及系统，将难于人工实现的飞轮性能参数测量过程转变为易于自动化实现的测试过程，从而弥补了人工测试的不足，达到了反作用飞轮自动化性能参数测量的目的。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明一种反作用飞轮性能参数智能评估系统实施例的原理图。

图2是本发明一种反作用飞轮性能参数智能评估系统的评估方法实施例的流程图。

图3是本发明一种反作用飞轮性能参数智能评估系统的评估方法实施例中关于测试反作用飞轮性能参数的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种反作用飞轮性能参数智能评估系统实施例：

参见图1，一种反作用飞轮性能参数智能评估系统，包括上位机10、数据采集单元20以及多个反作用飞轮30，所述上位机10为通过控制软件模块可执行操作者指令的包含人机界面的终端设备，数据采集单元20通过其内置通讯转换模块建立上位机10与多个反作用飞轮30的数据传输通道，由通讯转换模块提供多种接口，同时将上位机10发出的通讯接口数据转换为反作用飞轮30可识别的数据形式，以实现上位机10与反作用飞轮30之间的通讯。

然后，由人机界面有序发出测试反作用飞轮30相关性能的控制指令，并收集数据采集单元20及反作用飞轮30传输回来的数据，并把所有收集到的数据传输给上位机10，由上位机10处理从人机界面收到的原始数据，截取数据、参数计算后，输出计算结果返回给人机界面，由人机界面把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出。

其中，由人机反作用飞轮30界面提供反作用飞轮编号、转动惯量J、质量m、供电电压U等数据、基础参数输入接口以及一键测试反作用飞轮30的启动、暂停、停止等功能按钮。

在本实施例中，数据采集单元20包括供电接口21、稳恒直流电源22、通讯转换模块23、数据采集模块24、控制电路25，稳恒直流电源22接收经由供电接口21输入的交流电源，由稳恒直流电源22通过电源接口提供给反作用飞轮30电压，反作用飞轮30将在浮地驱动桥电路26的驱动下达到稳态转速状态，控制电路25通过通讯转换模块23将数据采集模块24测量到的反作用飞轮30的稳态转速状态下的数据传送给上位机10。

在本实施例中，数据采集模块24包括电压传感器、电流传感器、位置传感器，控制电路25通过通讯转换模块23将电压传感器、电流传感器、位置传感器测量到的反作用飞轮30的稳态转速状态下的电压信号、电流信号和转速信号传送给上位机10，上位机10的后处理软件模块将收到的电压信号、电流信号和转速信号经过数据拟合计算出反作用飞轮30的参数。

具体的，本发明由上位机10(pc机)、安装在上位机10的人机界面、后处理软件、数据采集单元20，连接线缆等构成。数据采集单元20的通讯转换模块23将负责在飞轮与PC机之间的数据传输和转换，通过通讯转换模块23提供多种接口，例如CAN总线接口、422接口等，并将飞轮输出的数据转换为上位机10可以接收的USB形式，同时将上位机10发出的USB数据转换为飞轮识别的数据形式，可以实现上位机10与飞轮之间的通讯；由人机飞轮界面提供飞轮编号、转动惯量J、质量m、供电电压U等数据，以及基础参数输入接口，一键测试飞轮的启动、暂停、停止等功能按钮，并在后台有序发出测试飞轮相关性能的控制指令，并收集电流采集模块及飞轮传输回来的数据，并把所有数据传输给后处理软件；后处理软件处理从人机界面收到的原始数据，根据相关参数的算法，截取数据，计算，最后输出计算结果返回给人机界面；人机界面调用WORD软件，把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出，对有问题的进行报警标识，对于合格品，则给予合格标识，并且人机界面提供简易的指令和协议输入端口，可以测试不同协议的飞轮产品。

一种反作用飞轮性能参数智能评估系统的评估方法实施例：

一种反作用飞轮性能参数智能评估系统的评估方法，该反作用飞轮性能参数智能评估系统是采用上述的反作用飞轮性能参数智能评估系统，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1，在人机界面输入飞轮数据采集指令和转速、以及电压电流提取协议。

步骤S2，将多个待测试反作用飞轮的电源、通讯接口与数据采集单元20连接，并接通电源。

步骤S3，在人机界面输入飞轮编号、转动惯量J、质量m、供电电压U等数据。

步骤S4，点击测试按钮，建立上位机10与多个待测试反作用飞轮的数据传输通道，开始测试。

步骤S5，由人机界面有序发出测试反作用飞轮30相关性能的控制指令，并收集数据采集单元20及反作用飞轮30传输回来的数据，并把所有收集到的数据传输给上位机10，由上位机10计算反作用飞轮30待机功耗、飞轮稳态功耗、反作用飞轮30最大功耗、损耗力矩、最大角动量、转速控制精度、自由停机时间、最大反作用力矩等。

步骤S6，待测试完成后，由人机界面把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出。

在本实施例中，当开始测试后，采集飞轮待机时供电电流数据I₀，发送第一转速控制指令，当转速达到第一预设转速后采集转速数据n₁、供电电流数据I₁及转矩数据T₁。

发送第二转速控制指令，当转速达到第二预设转速后采集转速数据n₃、供电电流数据I₃及转矩数据T₃。

发送第三转速控制指令，当转速达到第三预设转速后采集转速数据n₆、供电电流数据I₆及转矩数据T₆。

发送最高转速控制指令n_max检测是否达到最高转速，如是，发送自动停机指令，采集停机过程的转速数据n_stop，记录时间t_start，当转速达到0_rpm，记录时间t_end。

发送最大转矩减速指令，采集加减速过程的转速数据n_a及供电电流数据I_max及转矩数据T_a。

发送转速控制指令0_rpm，转速达到0_rpm后关闭反作用飞轮30电机。

具体的，如图3所示，当开始测试后，采集飞轮待机时供电电流数据I₀，发送转速控制指令1000rpm，当转速达到1000rpm后采集转速数据n_1000rpm、供电电流数据I_1000rpm及转矩数据T_1000rpm。

发送转速控制指令3000rpm，当转速达到3000rpm后采集转速数据n_3000rpm、供电电流数据I_3000rpm及转矩数据T_3000rpm。

发送转速控制指令6000rpm，当转速达到6000rpm后采集转速数据n_6000rpm、供电电流数据I_6000rpm及转矩数据T_6000rpm。

发送最高转速控制指令n_max检测是否达到最高转速，如是，发送自动停机指令，采集停机过程的转速数据n_stop，记录时间t_start，当转速达到0rpm，记录时间t_end。

发送最大转矩减速指令，采集加减速过程的转速数据n_a及供电电流数据I_max及转矩数据T_a。

发送转速控制指令0rpm，转速达到0rpm后关闭反作用飞轮30电机。

在本实施例中，计算反作用飞轮30待机功耗，包括：截取飞轮待机时供电电流数据I₀电流数据中扰动比较明显，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，计算得到反作用飞轮30待机功耗，表示为公式(1)：

P_0＝U*I₀ (1)

在本实施例中，计算飞轮稳态功耗，包括：截取飞轮稳速时供电电流数据I_1000rpm、I_3000rpm、I_6000rpm电流数据中扰动比较明显，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，计算得到飞轮稳态功耗，表示为公式(2)：

在本实施例中，计算反作用飞轮30最大功耗，包括：截取飞轮最大力矩加减速时供电电流数据I_max电流数据中扰动比较明显，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，表示为公式(3)：

P_max＝U*I_max (3)

在本实施例中，计算损耗力矩，包括：截取飞轮稳速时供电电流数据T_1000rpm、T_3000rpm、T_6000rpm转矩数据中扰动比较明显，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值得到相应转速下的损耗力矩。

在本实施例中，计算转速控制精度，包括：截取飞轮稳速时转速数据n_1000rpm、n_3000rpm、n_6000rpm，分别取n_1000rpm、n_3000rpm、n_6000rpm数组中最大值，减去数组中最小值，得到个该转速下的转速控制精度。

在本实施例中，计算自由停机时间，包括发送自由停机指令，停机开始时间t_start；执行自由停机指令后转速降为0rpm的时间t_end，自由停机时间＝t_end-t_start。

在本实施例中，计算最大角动量，表示为公式(4)：

其中，J为飞轮转动惯量kg·m²，n_max为飞轮角速度r/min。

在本实施例中，计算最大反作用力矩，包括：截取飞轮以最大力矩加减速时的转速数据n_a，提取-n_max到n_max，转速数据对时间t的斜率k₊，提取n_max到-n_max，计算转速数据对时间t的斜率k_-，其飞轮输出最大力矩表示为公式(5)：

其中，T_s+为飞轮正转输出最大力矩N·m，T_s-为飞轮反转输出最大力矩N·m，n为转速r/min，J为飞轮转动惯量kg·m²，t为时间。

由此可见，本发明可以同时测量多个飞轮，大大提高了效率，能准确地预估出飞轮组在轨期间不同运行状况下的功耗、损耗力矩、最大角动量、转速控制精度、自由停机时间、最大反作用力矩等，采用本发明提供的方法及系统测量飞轮稳态功耗、损耗力矩等不会造成较大误差，同时把复杂的算法固化在后处理软件中，可以减轻技术人员的工作量和降低了误操作的几率。

所以，通过本发明所述的评估方法及系统，将难于人工实现的飞轮性能参数测量过程转变为易于自动化实现的测试过程，从而弥补了人工测试的不足，达到了反作用飞轮自动化性能参数测量的目的。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种反作用飞轮性能参数智能评估系统，其特征在于，包括：

上位机、数据采集单元以及多个反作用飞轮，所述上位机为通过控制软件模块可执行操作者指令的包含人机界面的终端设备，数据采集单元通过其内置通讯转换模块建立上位机与多个反作用飞轮的数据传输通道，由通讯转换模块提供多种接口，同时将上位机发出的通讯接口数据转换为反作用飞轮可识别的数据形式，以实现上位机与反作用飞轮之间的通讯；

由人机界面有序发出测试反作用飞轮相关性能的控制指令，并收集数据采集单元及反作用飞轮传输回来的数据，并把所有收集到的数据传输给上位机，由上位机处理从人机界面收到的原始数据，截取数据、参数计算后，输出计算结果返回给人机界面，由人机界面把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出；

当开始测试后，采集飞轮待机时供电电流数据I₀，发送第一转速控制指令，当转速达到第一预设转速后采集转速数据n₁、供电电流数据I₁及转矩数据T₁；

发送第二转速控制指令，当转速达到第二预设转速后采集转速数据n₃、供电电流数据I₃及转矩数据T₃；

发送第三转速控制指令，当转速达到第三预设转速后采集转速数据n₆、供电电流数据I₆及转矩数据T₆；

发送最高转速控制指令n_max检测是否达到最高转速，如是，发送自动停机指令，采集停机过程的转速数据n_stop，记录时间t_start，当转速达到0_rpm，记录时间t_end；

发送最大转矩减速指令，采集加减速过程的转速数据n_a及供电电流数据I_max及转矩数据T_a；

发送转速控制指令0_rpm，转速达到0_rpm后关闭反作用飞轮电机。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

由人机反作用飞轮界面提供反作用飞轮编号、转动惯量J、质量m、供电电压U的数据、基础参数输入接口以及一键测试反作用飞轮的启动、暂停、停止的功能按钮。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

数据采集单元包括供电接口、稳恒直流电源、通讯转换模块、数据采集模块、控制电路，稳恒直流电源接收经由供电接口输入的交流电源，由稳恒直流电源通过电源接口提供给反作用飞轮电压，反作用飞轮将在浮地驱动桥电路的驱动下达到稳态转速状态，控制电路通过通讯转换模块将数据采集模块测量到的反作用飞轮的稳态转速状态下的数据传送给上位机。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

数据采集模块包括电压传感器、电流传感器、位置传感器，控制电路通过通讯转换模块将电压传感器、电流传感器、位置传感器测量到的反作用飞轮的稳态转速状态下的电压信号、电流信号和转速信号传送给上位机，上位机的后处理软件模块将收到的电压信号、电流信号和转速信号经过数据拟合计算出反作用飞轮的参数。

5.一种反作用飞轮性能参数智能评估系统的评估方法，其特征在于，所述反作用飞轮性能参数智能评估系统是采用如权利要求1至4任一项所述的反作用飞轮性能参数智能评估系统，该方法包括以下步骤：

在人机界面输入飞轮数据采集指令和转速、以及电压电流提取协议；

将多个待测试反作用飞轮的电源、通讯接口与数据采集单元连接，并接通电源；

在人机界面输入飞轮编号、转动惯量J、质量m、供电电压U的数据；

点击测试按钮，建立上位机与多个待测试反作用飞轮的数据传输通道，开始测试；

由人机界面有序发出测试反作用飞轮相关性能的控制指令，并收集数据采集单元及反作用飞轮传输回来的数据，并把所有收集到的数据传输给上位机，由上位机计算反作用飞轮待机功耗、飞轮稳态功耗、反作用飞轮最大功耗、损耗力矩、最大角动量、转速控制精度、自由停机时间、最大反作用力矩；

待测试完成后，由人机界面把性能参数及曲线以测试报告文本形式输出。

6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于：

计算反作用飞轮待机功耗，包括：截取飞轮待机时供电电流数据I₀，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，计算得到反作用飞轮待机功耗，表示为公式(1)：

P₀＝U*I₀ (1)

计算飞轮稳态功耗，包括：截取飞轮稳速时供电电流数据I₁、I₃、I₆，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，计算得到飞轮稳态功耗，表示为公式(2)：

计算反作用飞轮最大功耗，包括：截取飞轮最大力矩加减速时供电电流数据I_max，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值，表示为公式(3)：

P_max＝U*I_max (3)。

7.根据权利要求5或6所述的评估方法，其特征在于：

计算损耗力矩，包括：截取飞轮稳速时供电电流数据T₁、T₃、T₆，采用巴特沃思滤波器进行滤波，滤波后的数据取平均值得到相应转速下的损耗力矩；

计算转速控制精度，包括：截取飞轮稳速时转速数据n₁、n₃、n₆，分别取n₁、n₃、n₆数组中最大值，减去数组中最小值，得到个该转速下的转速控制精度。

8.根据权利要求5或6所述的评估方法，其特征在于：

计算最大角动量，表示为公式(4)：

其中，J为飞轮转动惯量kg·m²，n_max为飞轮角速度r/min。

9.根据权利要求5或6所述的评估方法，其特征在于：

计算最大反作用力矩，包括：截取飞轮以最大力矩加减速时的转速数据n_a，提取-n_max到n_max，转速数据对时间t的斜率k₊，提取n_max到-n_max，计算转速数据对时间t的斜率k_-，其飞轮输出最大力矩表示为公式(5)：

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其中，T_s+为飞轮正转输出最大力矩N·m，T_s-为飞轮反转输出最大力矩N·m，n为转速r/min，J为飞轮转动惯量kg·m²，t为时间。

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