CN1945250A - 一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，是一种能够用来对磁悬浮飞轮的转子进行高精度不平衡在线检测的装置。该装置通过光电传感器在转子转过基准位置时产生一个脉冲，该脉冲经锁相与倍频模块产生一个锁相的倍频信号，用该倍频信号触发模数转换芯片，使其对经过位移信号处理模块的信号进行采样，采样后的数据在DSP模块内按照一定的控制算法计算出不平衡量的幅值和相位。本发明可以检测出磁悬浮飞轮在设定转速下的不平衡量，而且采用的方法具有很强的数据处理能力和很快的运算速度，因此可以达到较高的平衡精度，可以大大提高磁悬浮飞轮转子的控制精度。

Description

一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，用于对磁悬浮飞轮转子不平衡量的高精度在线检测，该装置同样适用于其它具有位移传感器的飞轮转子动平衡在线检测。

背景技术

飞轮是中小型卫星上基本的姿态控制执行机构，磁悬浮飞轮相对于传统的机械轴承飞轮具有可以进行主动振动控制的优点，所以在高精度卫星上具有广阔的应用前景。另外磁轴承没有摩擦，避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，其可靠性取决于控制系统电子元器件的可靠程度，因此相对于机械轴承飞轮其具有更长的使用寿命。

由于加工或安装的原因，飞轮转子不可避免地存在不平衡量。该不平衡量的大小直接影响飞轮转子的控制精度，进而会影响输出扰动力矩的大小；若不平衡量较大，则会直接影响磁悬浮飞轮转子的起浮和升速，甚至在高转速时导致失稳现象的发生。

磁悬浮飞轮由于转速高，通常工作在真空状态下，而现有动平衡检测装置均为非真空状态下的离线动平衡检测。若转子体积较小，离线动平衡时的风阻对平衡测试的影响可以忽略不计；若转子体积较大，风阻的影响较大，无法得到精确的不平衡量，故检测精度不高。同时，离线检测需要整套的平衡检测设备，并且需要拆装转子；而在线检测则不需要拆装转子。因此在线动平衡检测具有更好的灵活性。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有的离线动平衡无法测量大体积转子和离线动平衡检测精度不高的缺点，提供了一种利用转子位移信号的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置。

本发明的技术解决方案：基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，其特征在于：位移信号接口电路：与AD转换芯片相连，用于将位移传感器的信号进行放大和低通滤波处理，并送至AD转换芯片，等待采样；锁相与倍频模块：其中单稳态触发电路和脉冲整形电路用于将光电开关过零时产生的基准脉冲信号进行处理，并且由锁相电路和外部分频芯片产生新的脉冲信号，该脉冲信号与原脉冲信号的相位保持0度，频率是原脉冲信号的设定倍数；电平转换芯片：与DSP开发模块相接。用于将锁相、倍频后的脉冲信号转化成0～3.3V的方波信号；DSP开发模块：对电平转换芯片的脉冲信号进行中断响应，控制AD转换芯片的采样，并将采样的结果进行运算处理，得到不平衡量的大小和相位。

本发明的原理：位移信号接口电路与AD转换芯片相连，用于将磁悬浮飞轮中的位移传感器的信号进行放大和低通滤波处理，并送至AD转换芯片，等待采样。光电开关在转子转过基准位置时产生一个脉冲信号，该脉冲信号经过锁相与倍频模块生成一个倍频脉冲信号。该倍频脉冲信号与原脉冲信号的相位保持0度，频率是原脉冲信号的64或128倍。用该倍频后的脉冲信号作为DSP的一个外部中断信号，在该中断中控制AD芯片进行采样，由DSP记录AD采样的结果和对应脉冲的位置，采样一个整周期(即转子转过一周，相应采样64或128次)后，利用相应的算法即可得到该周期内不平衡量的大小和相位。采样不少于100个整周期后，采用最小均方差法得到最终的不平衡量和相位。

本发明与现有的离线动平衡检测相比具有以下优点：

(1)本发明采用在线动平衡检测，较离线动平衡检测具有调试灵活、方便、体积小、不需要外加驱动设备等特点。在线动平衡检测转速为实际工作转速和实际工作状态，能够真实反映所测量转速下的不平衡量。

(2)本发明中直接对转子的位移信号进行处理。由于测振传感器的测量精度远不如测位移传感器(如电涡流传感器)的精度高，因此本装置相对于使用振动信号的检测装置具有可提高检测精度的优点，同时减小了检测装置的体积、降低了装置的复杂度。

(3)本发明采用了硬件锁相环节，具有调试简单、锁相精度高、减少处理芯片运算量的特点。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的电平转化芯片电路图；

图4为本发明的单个通道的位移传感器接口电路图；

图5为本发明的光电开关信号处理电路图；

图6为本发明的锁相与倍频电路图；

图7为本发明的DSP控制算法流程图；

图8为本发明采用的双面影响系数法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的硬件模块主要由光电开关1、锁相与倍频模块5、DSP开发模块8、位移信号接口电路11、位移传感器12及电平转化芯片13等几部分组成。其中锁相与倍频模块5包括单稳态触发电路2、脉冲整形电路3、锁相电路4和外部分频芯片14，DSP开发模块8主要包括DSP芯片9、AD芯片10、外扩RAM6和外扩FLASH7组成。

如图2所示，给出了本发明的控制原理。将转子某位置处涂黑，该处称为基准位置。光电开关在转子转过基准位置时产生一个基准脉冲信号，该脉冲信号经过锁相与倍频模块产生一个倍频脉冲信号，用该倍频后的脉冲信号作为DSP的中断信号，在该中断中控制AD进行采样。磁悬浮飞轮中的位移传感器采集到的转子位移信号经放大与滤波电路后，送至AD转换芯片等待采样。

如图3所示，本发明中的电平转化芯片13与DSP开发模块8相连，用于将锁相与倍频模块5产生的基准脉冲信号和锁相与倍频的脉冲信号转化为0～3.3V的方波信号，分别作为DSP芯片的外部中断2(INT2)信号和外部中断3(INT3)信号。

如图4所示，位移传感器接口电路11中采用了AD620进行位移信号的放大，放大倍数由外接电位器RG2决定；采用了OPA4227进行位移信号的二阶低通滤波，滤波带宽由外接的电阻R23、R24和电容C23、C24决定。

如图5所示，给出了锁相与倍频模块5中的单稳态触发电路2和脉冲整形电路3。采用了施密特触发器74LS14对光电开关1产生的脉冲信号进行整形，采用了单稳态触发器74LS123进行脉冲信号的占空比设定，该占空比的设定与需要平衡时的转速有关，由外接的电位器RG123和电容C123决定占空比的大小。

如图6所示，给出了锁相与倍频模块5中的锁相电路4和外部分频电路14。采用了锁相芯片MC14046和移位寄存器芯片CD4024进行锁相与外部分频。通过跳线S_CLK选择CD4024的输出来设定倍频的倍数，即采样频率的大小。通过MC14046外接的电位器RG11、RG12和电容C411决定锁相的频率范围，通过电阻R413、R414和电容C412决定锁相环中低通滤波的带宽频率。

如图7所示，给出了本发明采用双面影响因子法进行不平衡检测的控制算法流程图。当DSP检测到基准脉冲时响应外部中断2(INT2)，在外部中断2(INT2)中将AD采样允许位置“1”(FLAG_E＝1)。当DSP检测到锁相与倍频信号时响应外部中断3(INT3)，在外部中断3(INT3)中若采样允许位为“1”(FLAG_E＝1)则进行采样，并记录采样时刻对应的倍频信号个数(对应所采样时刻的相位)。达到采样设定的个数，则调用双面影响因子法，并将AD采样允许位置“0”(FLAG_E＝0)。由于采样允许位由基准脉冲决定，且基准脉冲信号和倍频信号由锁相与倍频模块5保证相位关系，故在一个整采样周期中初始采样时刻与基准脉冲同步，即在一个整采样周期中初始采样时刻对应基准位置。

如图8所示，给出了本发明中采用的双面影响系数法流程。当DSP检测到锁相与倍频信号时响应外部中断3(INT3)，若采样允许位为“1”(FLAG_E＝1)则采用软件触发启动AD。达到设定的采样次数(64次或128次)后将采样允许位置“0”(FLAG_E＝0)，并根据启动标志位的值(FLAG_S＝1、FLAG_S＝2或FLAG_S＝3)进入相应的求解单次启动转子最大幅值和相位的子程序，最终根据双面影响系数法得到实际不平衡量的幅值和相位。

流程图中的FLAG_S＝1、FLAG_S＝2和FLAG_S＝3分别对应检测中需要启动转子的第1、2、3次。

在双面影响系数法中(以下所有向量均为矢量，即包含大小和相位)：

第一次启动转子，在额定转速下，测得上下面的不平衡量Ma、Mb造成的上下端最大跳动量为Xa、Xb；

在上端加试重m1，第二次启动转子，测得上下端的最大跳动量为Xa1、Xb1。则上端的单位试重引起的振动变化(影响系数)为：A1＝(Xa1-Xa)/m1；B1＝(Xb1-Xb)/m1；

移去上端试重m1，在下端加试重m2，第三次启动转子，测得上下端的最大跳动量为Xa2、Xb2。则下端的单位试重引起的振动变化(影响系数)为：A2＝(Xa2-Xa)/m2；B2＝(Xb2-Xb)/m2。

根据影响系数的物理含义，可得不平衡量为：

Ma＝(Xa*B2-Xb*A2)/(A1*B2-A2*B1)；

Mb＝(Xb*A1-Xa*B1)/(A1*B2-A2*B1)。

本发明虽为高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，用于对磁悬浮飞轮磁轴承转子不平衡量的高精度在线检测，应用者也可以应用于其它外转子型飞轮的在线检测，或通过程序的编写实现其他控制算法的高精度在线检测。

Claims (4)

1、一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，其特征在于包括：

位移信号接口电路(11)：与AD转换芯片(10)相连，用于将位移传感器(12)的信号进行放大和低通滤波处理，并送至AD转换芯片(10)，等待采样；

锁相与倍频模块(5)：包括单稳态触发电路(2)、脉冲整形电路(3)、锁相电路(4)和外部分频电路(14)组成，其中光电开关(1)在转子每次过基准位置时产生一个脉冲信号，该脉冲信号送至单稳态触发电路(2)和脉冲整形电路(3)进行处理，并且由锁相电路(4)和外部倍频电路(14)产生新的脉冲信号。该脉冲信号与原脉冲信号的相位保持0度，频率是原脉冲信号的64或128倍；

电平转换芯片(13)：与DSP开发模块(8)相接，用于将锁相、倍频后的脉冲信号转化成0～3.3V的信号；

DSP开发模块(8)：对电平转换芯片(13)输出的脉冲信号进行中断响应，控制AD转换芯片(10)的采样，并将采样的结果进行运算处理，得到不平衡量的大小和相位。

2、根据权利要求1所述的一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，其特征在于：所述的DSP开发模块(8)采用高速DSP芯片(9)作为控制算法的处理器，其控制算法采用双面影响因子法或双面影响系数法。

3、根据权利要求1所述的一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，其特征在于：所述的锁相与倍频模块(5)采用硬件锁相环节进行信号的锁相处理，将光电开关(1)产生的脉冲信号进行锁相并倍频，该倍频后的信号用于触发AD转换芯片(10)进行采样，并可以通过调节锁相电路外部的RC回路进行锁相范围的设定。

4、根据权利要求1所述的一种基于硬件锁相的高精度磁悬浮飞轮在线动平衡检测装置，其特征在于：直接采用磁悬浮飞轮中的位移传感器的位移信号作为本检测装置的检测信号，其中位移信号接口电路(11)直接处理位移传感器(12)的信号并送AD转换芯片(10)进行采样，采样后的值进行相应的算法计算。

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