本發(fā)明涉及一種測(cè)量方法，特別是涉及一種飛輪摩擦力矩測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
飛輪是航天器控制系統(tǒng)重要的執(zhí)行部件，飛輪的力矩輸出及響應(yīng)能力直接影響到控制效果，若已知飛輪的摩擦力矩，則控制系統(tǒng)可對(duì)飛輪可進(jìn)行開環(huán)控制模式，直接將所需要的控制力矩，通過指令電壓的方式，作用于飛輪，提高了控制響應(yīng)能力。另外，為了保證飛輪在軌達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，對(duì)飛輪整機(jī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，選出摩擦力矩較小的單機(jī)，以保證在軌達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，同樣需要對(duì)飛輪摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量。
而飛輪的軸承摩擦屬于庫侖摩擦，加上輪體的靜動(dòng)不平衡引起與轉(zhuǎn)速相關(guān)的高頻振動(dòng)，使得庫侖摩擦力大小和相對(duì)滑動(dòng)速度大小之間關(guān)系更為復(fù)雜，不易建模計(jì)算，采用測(cè)量的方法，一般也只是針對(duì)軸承單獨(dú)測(cè)量，且需要使用專用的摩擦力矩測(cè)試設(shè)備，測(cè)試方法復(fù)雜且設(shè)備昂貴，且無法進(jìn)行整機(jī)裝配完成后的摩擦力矩測(cè)量，而在航天器使用時(shí)更加注重飛輪整機(jī)產(chǎn)品裝配完成后的軸承、軸系組件(含輪體)的摩擦力矩大小。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種飛輪摩擦力矩測(cè)量方法，其能夠?qū)δΣ镰h(huán)境復(fù)雜的飛輪進(jìn)行力矩測(cè)量，特別是整機(jī)裝配完成后的飛輪力矩測(cè)量，測(cè)量方式簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高，在航天器內(nèi)飛輪的安裝調(diào)試上應(yīng)用廣泛。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種飛輪摩擦力矩測(cè)量方法，其包括下列步驟：
步驟一，使用飛輪轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)，采集飛輪在沒有控制力矩輸出的情況下由額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大轉(zhuǎn)速到零的轉(zhuǎn)速信息；
步驟二，通過數(shù)據(jù)處理與分析模塊對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行平滑濾波與差分處理，得到轉(zhuǎn)速信息與時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)；
步驟三，多次測(cè)量取其均值，估算出該轉(zhuǎn)速方向的飛輪摩擦力矩大?。?/p>
步驟四，對(duì)飛輪加負(fù)轉(zhuǎn)速的控制力矩電壓，重復(fù)上述步驟一、步驟二、步驟三，估算出該轉(zhuǎn)速方向的飛輪摩擦力矩大小。
優(yōu)選地，所述步驟一是將飛輪施加正的控制力矩電壓，使飛輪達(dá)到最高額定轉(zhuǎn)速后，去除控制力矩電壓，直至飛輪轉(zhuǎn)速為零。
優(yōu)選地，所述步驟一中的飛輪轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)采用光電碼盤和霍爾元器件測(cè)量飛輪轉(zhuǎn)速。
優(yōu)選地，所述步驟二中的數(shù)據(jù)處理與分析模塊采用二階向前差分和線性濾波處理方式對(duì)飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理，得到轉(zhuǎn)速信息與時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，所述步驟三中的多次測(cè)量均指飛輪在沒有控制力矩輸出的情況下由額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大轉(zhuǎn)速到零的狀態(tài)過程中測(cè)量。
本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明能夠?qū)δΣ镰h(huán)境復(fù)雜的飛輪進(jìn)行力矩測(cè)量，特別是整機(jī)裝配完成后的飛輪力矩測(cè)量，測(cè)量方式簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高，在航天器內(nèi)飛輪的安裝調(diào)試上應(yīng)用廣泛。本發(fā)明可用于飛輪控制力矩輸出計(jì)算，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，也可用于評(píng)價(jià)飛輪整機(jī)性能。
具體實(shí)施方式
下面給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
本發(fā)明飛輪摩擦力矩測(cè)量方法包括下列步驟：
步驟一，使用飛輪轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)，采集飛輪在沒有控制力矩輸出的情況下由額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大轉(zhuǎn)速到零的轉(zhuǎn)速信息；
步驟二，通過數(shù)據(jù)處理與分析模塊對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行平滑濾波與差分處理，得到轉(zhuǎn)速信息與時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)；
步驟三，多次測(cè)量取其均值，估算出該轉(zhuǎn)速方向的飛輪摩擦力矩大小；
步驟四，對(duì)飛輪加負(fù)轉(zhuǎn)速的控制力矩電壓，重復(fù)上述步驟一、步驟二、步驟三，估算出該轉(zhuǎn)速方向的飛輪摩擦力矩大小。
步驟一中飛輪在沒有控制力矩輸出的情況下由額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大轉(zhuǎn)速到零指的是將飛輪施加正的控制力矩電壓，使飛輪達(dá)到最高額定轉(zhuǎn)速后，去除控制力矩電壓，直至飛輪轉(zhuǎn)速為零。
步驟一中的飛輪轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)采用光電碼盤和霍爾元器件測(cè)量飛輪轉(zhuǎn)速。
步驟二中數(shù)據(jù)處理與分析模塊采用二階向前差分和線性濾波處理方式對(duì)飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理，得到轉(zhuǎn)速信息與時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。
步驟三種多次測(cè)量均指飛輪在沒有控制力矩輸出的情況下由額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大轉(zhuǎn)速到零的狀態(tài)過程中測(cè)量。
本發(fā)明的工作原理如下：對(duì)于光電碼盤反饋的飛輪轉(zhuǎn)速，可直接測(cè)量飛輪轉(zhuǎn)速；對(duì)于霍爾元器件反饋的飛輪轉(zhuǎn)速，采集霍爾元器件的脈沖信號(hào)(一般脈沖信號(hào)不低于24個(gè)/圈)，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)采集到的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可得到單位時(shí)間內(nèi)的飛輪轉(zhuǎn)速，如下式(1)：
其中：ωi——表示為飛輪第i個(gè)采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)速，i為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，(i＝0，1，…，n，n為采用點(diǎn)總個(gè)數(shù))(單位r/min)；
tg——脈沖計(jì)量時(shí)間(單位s)；m1——脈沖計(jì)量時(shí)間內(nèi)總計(jì)數(shù)；Pω0——每轉(zhuǎn)脈沖計(jì)數(shù)。
對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行線性平滑均值濾波，如下式(2)：
其中：ωmj——表示了濾波后的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，j為濾波后采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，(j＝1，2，…，n-1)。
對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行一階差分處理，如下式(3)：
Δωmj——飛輪轉(zhuǎn)速的變化量；Δt——飛輪轉(zhuǎn)速的變化量對(duì)應(yīng)的時(shí)間增量；α——飛輪轉(zhuǎn)速加速度。
估算出飛輪摩擦力矩大小，如下式(4)：
Jα＝Ff (4)
其中：J——為飛輪轉(zhuǎn)速慣量(單位Kgm2)為已知量；Ff——為估算出的飛輪摩擦阻力大小(單位N)。
重復(fù)上述步驟多次測(cè)量，得到摩擦阻力均值如下式(5)：
其中：Mf——飛輪摩擦力矩；r——飛輪半徑。
綜上所述，本發(fā)明能夠?qū)δΣ镰h(huán)境復(fù)雜的飛輪進(jìn)行力矩測(cè)量，特別是整機(jī)裝配完成后的飛輪力矩測(cè)量，測(cè)量方式簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高，在航天器內(nèi)飛輪的安裝調(diào)試上應(yīng)用廣泛。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。