CN116907825B - 一种飞轮轴系自动考核系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种飞轮轴系自动考核系统及方法，能够改善现有考核系统的考核性能不全、评估结果有偏差的缺点，电机主要由转子、定子、轴系三部分组成，评估的电机轴系带动负载质量块的结论更准确、更有依据性，改善系统或电机异常时导致测试数据不准的情况，降低制造成本。这种飞轮轴系自动考核系统，其包括：轮体控制组件、树莓派、转速采集卡、振动采集卡、电流采集卡、温度采集卡、串口服务器、PCU单元。
Description
技术领域
本发明涉及航天飞行器的技术领域，尤其涉及一种飞轮轴系自动考核系统，以及这种飞轮轴系自动考核系统所采用的方法。
背景技术
姿态控制分系统是确保空间飞行器在轨寿命和任务效能的核心关键组件，而飞轮作为姿态调整执行机构的重要部件，飞轮的每一个配件的合格性、可靠性都不容有差。
飞轮的关键零部件有电机和负载质量块，电机和其负载质量块的匹配度是影响飞轮长时间正常运行的重要考核点。在一款飞轮的研发过程中，选用哪种型号的电机，附带多大的负载得到的性能最合适，除了设计初期的理论计算外，还需通过实验论证电机和对应的负载质量块是合适的。除了研发设计参数的论证，还应用于批量生产成品的抽检。电机带负载质量块长期运行的电流、温度、振动、转速的数据及数据变化，是产品长期工作影响性能稳定的重要因素。
基于现有技术对于轮体检测项目的局限，只能监测到轮体的转速和运行中的母线电流，飞轮关键部件的考核性能点不全面，不符合飞轮长时间运行过程中高精度、高稳定性的考核要求，对此评估的电机和对应负载质量块的结论也是有偏差的。
在考核过程中，若考核系统或电机有异常，系统依然继续运行，最终导致考核的结果也不准确。
而且，现有考核系统结构复杂，整体尺寸大，内部布线繁杂，制造成本高。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种飞轮轴系自动考核系统，其能够改善现有考核系统的考核性能不全、评估结果有偏差的缺点，电机主要由转子、定子、轴系三部分组成，评估的电机轴系带动负载质量块的结论更准确、更有依据性，改善电机异常时导致测试数据不准的情况，降低制造成本。
本发明的技术方案是：这种飞轮轴系自动考核系统，其包括：轮体控制组件、树莓派、转速采集卡、振动采集卡、电流采集卡、温度采集卡、串口服务器、PCU单元；
以树莓派为计算机控制单元，通过串口服务器实现各采集模块、轮体控制组件通信口的连接，PCU单元给各通讯模块及轮体控制组件提供正常工作的电压，通过电流采集卡监测轮体控制组件电流、振动采集卡通过振动传感器采集电机带负载状态下的振动信息进行处理，温度采集卡通过温度传感器获取温度信息进行处理，转速采集卡通过转速传感器获取电机所带动负载的转速实现电机带动负载运行中4种主要性能同时监测；
设置各性能值的保护参数，若运行过程中超出保护参数，则说明电机有异常，通过蜂鸣器鸣叫提示处理；机箱外放置轮体安装治具，待考核轮体安装在轮体安装治具上，电机底部安装有温度传感器，振动传感器固定在待考核轮体附近，在距轮体一定距离位置点安装有转速传感器，实时监测轮体考核过程中的温度、转速和振动；系统为多通道电机输入，所连接传感器、采集模块均为多通道接入。
本发明以树莓派为计算机控制单元，通过串口服务器实现各采集模块、轮体控制组件通信口的连接，PCU单元给各通讯模块及轮体控制组件提供正常工作的电压，通过电流采集卡监测轮体控制组件电流、振动采集卡通过振动传感器采集电机带负载状态下的振动信息进行处理，温度采集卡通过温度传感器获取温度信息进行处理，转速采集卡通过转速传感器获取电机所带动负载的转速实现电机带动负载运行中4种主要性能同时监测，因此能同时考核电流、温度、振动、转速参数，能更准确的评估电机带动负载质量块的匹配性，能够改善现有考核系统的考核性能不全、评估结果有偏差的缺点，评估的电机轴系带动负载质量块的结论更准确、更有依据性；本发明设置各性能值的保护参数，若运行过程中超出保护参数，则说明电机或系统有异常，系统通过蜂鸣器鸣叫提示处理；机箱外放置轮体安装治具，待考核轮体安装在轮体安装治具上，电机底部安装有温度传感器，振动传感器固定在待考核轮体附近，在距轮体一定距离位置点安装有转速传感器，实时监测轮体考核过程中的温度、振动和转速；系统为多通道电机输入，所连接传感器、采集模块均为多通道接入，在系统或电机异常时，系统停止运行，经处理至正常后采集正常的运行数据，根据系统正常的考核数据，得出的评估结果更精准，也能在运行过程中及时发现电机的问题，改善系统或电机异常时导致测试数据不准的情况，降低制造成本。
还提供了一种飞轮轴系自动考核系统的方法，其包括以下步骤：
（1）选择同款电机待测试的飞轮质量块型号，依据设计选取三种以上的质量块型号，分别为理论设计值最优、低于设计值、高于理论设计值，配置相关参数；
（2）导入飞轮转速列表，生成指令集；
（3）运行飞轮轴系自动考核系统的自动考核测试功能；
（4）针对系统考核过程中存储的各个传感器数据，对数据进行评估；评估判定：
（4.1）电源模块的电压、电流和功耗，要求符合本质量块型号的飞轮性能指标；
（4.2）温度模块的多通道温度值，因为温度探头可能会放置在飞轮轴系的转子和电机底部及其他部位，所以不同通道的温度值会有所区别，要求小于90℃；
（4.3）转速传感器模块的测量转速与飞轮采集的实际转速相差±2rpm；
（4.4）振动模块采集的飞轮轴系运行的X、Y、Z轴通道的振动值，要求符合本质量块型号飞轮的性能指标；
（4.5）评估标准：正常、偏大、异常三个标准；
（5）考核结束后，根据考核过程评估结果，生成考核评估结果的报表。
附图说明
图1 是根据本发明的飞轮轴系自动考核系统的工作原理图。
图2 是根据本发明的飞轮轴系自动考核系统的方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种飞轮轴系自动考核系统，其包括：第一轮体控制组件、第二轮体控制组件、树莓派、第一转速传感器、第二转速传感器、第一转速采集卡、第二转速采集卡、振动传感器、振动采集卡、适配器输入、电流采集卡、温度传感器、温度采集卡、串口服务器、4G模块、PCU单元；
以树莓派为计算机控制单元，通过串口服务器实现各采集模块、轮体控制组件通信口的连接，PCU单元给各通讯模块及轮体控制组件提供正常工作的电压，通过电流采集卡监测轮体控制组件电流、振动采集卡通过振动传感器采集电机带负载状态下的振动信息进行处理（具体为通过振动传感器获取飞轮电机运转时产生的振动信息，转换成电信号传递到振动采集卡，然后由振动采集卡转换成数字信号进行显示），温度采集卡通过温度传感器获取温度信息进行处理（具体为通过温度传感器获取飞轮电机运转时产生的温度数据，转换成电信号传递到温度采集卡，然后由温度采集卡转换成数字信号进行显示），转速采集卡通过转速传感器获取电机所带动负载的转速实现电机带动负载运行中4种主要性能同时监测；
设置各性能值的保护参数，若运行过程中超出保护参数，则说明电机或系统有异常，系统通过蜂鸣器鸣叫提示处理；机箱外放置轮体安装治具，待考核轮体安装在轮体安装治具上，电机底部安装有温度传感器，振动传感器固定在待考核轮体附近，在距轮体一定距离位置点安装有转速传感器，实时监测轮体考核过程中的温度、转速和振动；系统为多通道电机输入，所连接传感器、采集模块均为多通道接入。
本发明以树莓派（树莓派是一种微型计算机（微型电脑主机），因其体积小、功能齐全、方便开发等优点而闻名，广泛计算机编程学习、教育、开发等领域。）为计算机控制单元，通过串口服务器实现各采集模块、轮体控制组件通信口的连接，PCU单元（PCU是一种电源分配模块，由多个电源模块组成，可以同时输出多个通道的电压和电流并进行监控，给不同电压的控制模块和采集卡分配电源）给各通讯模块及轮体控制组件提供正常工作的电压，通过电流采集卡监测轮体控制组件电流、振动采集卡通过振动传感器采集电机带负载状态下的振动信息进行处理，温度采集卡通过温度传感器获取温度信息进行处理，转速采集卡通过转速传感器获取电机所带动负载的转速实现电机带动负载运行中4种主要性能同时监测，因此能同时考核电流、温度、振动、转速参数，能更准确的评估电机带动负载质量块的匹配性，能够改善现有考核系统的考核性能不全、评估结果有偏差的缺点，评估的电机带动负载质量块的结论更准确、更有依据性；本发明设置各性能值的保护参数，若运行过程中超出保护参数，则说明电机或系统有异常，系统通过蜂鸣器鸣叫提示处理；机箱外放置轮体安装治具，待考核轮体安装在轮体安装治具上，电机底部安装有温度传感器，振动传感器固定在待考核轮体附近，在距轮体一定距离位置点安装有转速传感器，实时监测轮体考核过程中的温度、转速和振动；系统为多通道电机输入，所连接传感器、采集模块均为多通道接入，在系统或电机异常时，系统停止运行，经处理至正常后采集正常的运行数据，根据系统正常的考核数据，得出的评估结果更精准，也能在运行过程中及时发现电机的问题，改善系统或电机异常时导致测试数据不准的情况，降低制造成本。
优选地，系统分3层安装，各层安装板件上均安装系线杆，安装板的空余位置开穿线孔。系统分3层安装，结构紧凑，各层安装板件上均安装系线杆，使线缆固定有序，在折弯时，线缆端头无松脱，安装板空余位置开穿线孔，使模块与模块间的连线缩短距离。
优选地，在机箱外放置2组轮体安装治具，2组轮体安装治具分别放置在考核机箱的两侧。性能考核时，振动数据互不干扰。
优选地，机箱外各传感器监测飞轮轴系的电源、温度、转速、振动，通过各对应模块将信号数据采集，经串口服务器连接、树莓派作计算机单元控制处理（树莓派是一种微型计算机，通过程序软件控制各个传感器模块，以多线程并发处理方式，进行数据交互和处理后，在软件显示界面显示传感器数据），将数据曲线实时显示于显示屏上（数据曲线显示：是指的需要实时显示的重要数据，使用曲线动态方式将数据变化=显现。传感器模块采集回来的多组数据以线性拟合的方式，绘制成曲线，以接收计数值为X轴，传感器数据为Y轴，方便用户更直观的了解传感器数据的变化，如：飞轮的转速和电流值，振动传感器的振动值等）；当检测的各项参数不符合设定参数或者系统运行出现异常时，通过蜂鸣器报警提示。
如图2所示，还提供了一种飞轮轴系自动考核系统的方法，其包括以下步骤：
（1）选择同款电机待测试的飞轮质量块型号，依据设计选取三种以上的质量块型号，分别为理论设计值最优、低于设计值、高于理论设计值，配置相关参数；
（2）导入飞轮转速列表，生成指令集；
（3）运行飞轮轴系自动考核系统的自动考核测试功能；
（4）针对系统考核过程中存储的各个传感器数据，对数据进行评估；评估判定：
（4.1）电源模块的电压、电流和功耗，要求符合本型号飞轮的性能指标；
性能指标：符合本产品的重要参数特性，经过多次需求分析后的参数指标；如：0.6Nms-A的反作用飞轮，最大角动量：≥0.6Nms@6000rpm；工作模式：电流、转速和力矩控制模式；转速控制精度：±2rpm；电流控制精度：±1mA；工作环境温度：-20~50℃；
（4.2）温度模块的多通道温度值，因为温度探头可能会放置在飞轮轴系的转子和电机底部及其他部位，所以不同通道的温度值会有所区别，要求小于90℃；
（4.3）转速传感器模块的测量转速与飞轮采集的实际转速相差±2rpm；
（4.4）振动模块采集的飞轮轴系运行的X、Y、Z轴通道的振动值，要求符合本型号飞轮的性能指标；
（4.5）评估标准：正常、偏大、异常三个标准（设置转速为1000rpm，传感器测量转速为1000±1rpm为正常，1000±1~2rpm为偏大；大于1000±2rpm为异常）；
（5）考核结束后，根据考核过程评估结果，生成考核评估结果的报表。
如表1，给出报表的示例：
表1
优选地，所述步骤（3）包括以下分步骤：
（3.1）计算机发送控制命令使飞轮从0转速加速到目标转速；
（3.2）飞轮保持恒定目标转速过程一段时间，系统各个传感器遥测返回监测数据；
（3.3）指令计数加1，存储传感器监测数据；
（3.4）重复步骤（3.1）、（3.2）、（3.3），直至指令集发送完成；
（3.5）生成测试数据文档；其中传感器包含温度传感器、激光测速传感器、电源监控传感器、振动传感器、报警传感器。
优选地，所述步骤（5）中，报表格式：
（5.1）报表头：飞轮质量块型号及参数信息、测试环境和测试人员信息；
（5.2）飞轮考核过程的测试数据，同一阶段的测试数据进行平均，不同阶段的测试数据分段显示，各个传感器的测试数据和评估判定；
（5.3）根据整体的测试数据和评估，生成判定结果。
本发明的有益效果如下：
1.完善了考核性能，能同时考核电流、温度、振动、转速参数，能更准确的评估电机带动负载质量块的匹配性；
2.在电机异常时，系统停止运行，经处理至正常后采集正常的运行数据，根据系统正常的考核数据，得出的评估结果更精准，也能在运行过程中及时发现电机的问题；
3.电流、温度、振动、转速的同时监测，可监测多组轮体，减少人工操作，提升了考核效率；
4.考核系统的结构优化，降低考核系统的生产成本，外观精美。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种飞轮轴系自动考核系统的方法，该飞轮轴系自动考核系统包括：轮体控制组件、树莓派、转速采集卡、振动采集卡、电流采集卡、温度采集卡、串口服务器、PCU单元；
以树莓派为计算机控制单元，通过串口服务器实现各采集模块、轮体控制组件通信口的连接，PCU单元给各通讯模块及轮体控制组件提供正常工作的电压，通过电流采集卡监测轮体控制组件电流、振动采集卡通过振动传感器采集电机带负载状态下的振动信息进行处理，温度采集模块通过温度传感器获取温度信息进行处理，转速采集卡通过转速传感器获取电机所带动负载的转速，实现电机带动负载运行中4种主要性能同时监测；
设置各性能值的保护参数，若运行过程中超出保护参数，则说明电机或系统有异常，系统通过蜂鸣器鸣叫提示处理；机箱外放置轮体安装治具，待考核轮体安装在轮体安装治具上，电机底部安装有温度传感器，振动传感器固定在待考核轮体附近，在距轮体一定距离位置点安装有转速传感器，分别实时监测轮体考核过程中的温度、振动和转速；系统为多通道电机输入，所连接传感器、采集模块均为多通道接入；
系统分3层安装，各层安装板件上均安装系线杆，安装板的空余位置开穿线孔；
在机箱外放置2组轮体安装治具，2组轮体安装治具分别放置在考核机箱的两侧；
机箱外各传感器监测飞轮轴系的电源、温度、转速、振动，通过各对应模块将信号数据采集，经串口服务器连接、树莓派作计算机单元控制处理，将数据曲线实时显示于显示屏上；当检测的各项参数不符合设定参数或者系统运行出现异常时，通过蜂鸣器报警提示；其特征在于：该方法用于电机和对应负载质量块的匹配的考核，包括以下步骤：
（1）选择同款电机待测试的飞轮质量块型号，依据设计选取三种以上的质量块型号，分别为理论设计值最优、低于设计值、高于理论设计值，配置相关参数；
（2）导入飞轮转速列表，生成指令集；
（3）运行飞轮轴系自动考核系统的自动考核测试功能；
（4）针对系统考核过程中存储的各个传感器数据，对数据进行评估；评估判定：
（4.1）电源模块的电压、电流和功耗，要求符合本型号飞轮的性能指标；
（4.2）温度模块的多通道温度值，因为温度探头可能会放置在飞轮轴系的转子和电机底部及其他部位，所以不同通道的温度值会有所区别，要求小于90℃；
（4.3）转速传感器模块的测量转速与飞轮采集的实际转速相差±2rpm；
（4.4）振动模块采集的飞轮轴系运行的X、Y、Z轴通道的振动值，要求符合本型号飞轮的性能指标；
（4.5）评估标准：正常、偏大、异常三个标准；
（5）考核结束后，根据考核过程评估结果，生成考核评估结果的报表。
2.根据权利要求1所述的飞轮轴系自动考核系统的方法，其特征在于：所述步骤（3）包括以下分步骤：
（3.1）计算机发送控制命令使飞轮从0转速加速到目标转速；
（3.2）飞轮保持恒定目标转速过程一段时间，系统各个传感器遥测返回监测数据；
（3.3）指令计数加1，存储传感器监测数据；
（3.4）重复步骤（3.1）、（3.2）、（3.3），直至指令集发送完成；
（3.5）生成测试数据文档；其中传感器包含温度传感器、激光测速传感器、电源监控传感器、振动传感器、报警传感器。
3.根据权利要求2所述的飞轮轴系自动考核系统的方法，其特征在于：所述步骤（5）中，报表格式：
（5.1）报表头：飞轮质量块型号及参数信息、测试环境和测试人员信息；
（5.2）飞轮考核过程的测试数据，同一阶段的测试数据进行平均，不同阶段的测试数据分段显示，各个传感器的测试数据和评估判定；
（5.3）根据整体的测试数据和评估，生成判定结果。
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