一种基于自适应摩擦力矩模型的动量轮模拟器

摘要

一种基于自适应摩擦力矩模型的动量轮模拟器，包括摩擦力矩参数修正模块、开关指令采集模块、方向定义采集模块、控制力矩采集模块、转速信号生成模块、指示灯控制模块、功率电源遥测生成模块、电机电流遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块、动量轮模拟器控制模块。本发明基于CPCI总线和VxWorks实时操作系统的架构，在保证各模块可以根据需求随意增减的同时，还高保真地模拟了动量轮所有信号的时序特性和电气特性，另外，本发明通过采用基于自适应摩擦力矩模型的动量轮运动数学模型，可以根据试验工况自动选取合适的摩擦力矩模型，更准确的反应了动量轮随转速变化的摩擦力矩的特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动量轮模拟技术，特别是一种基于自适应摩擦力矩模型的动量轮模拟器。

背景技术

动量轮是卫星控制分系统关键的执行机构，一般采用电能驱动，不需要额外的燃料。动量轮模拟器可以替代真实部件参与卫星的研制试验任务，相比于真实动量轮部件的研究工作，目前动量轮电性能模拟器研究较少。现有的动量轮模拟器的设计研究主要集中在两方面(1)硬件架构的设计；(2)动量轮摩擦力矩模型的建立。

目前动量轮模拟器硬件架构的设计方法主要包括基于DSP架构的单板设计和基于FPGA作为主控制器的单板设计，上述单板设计技术限制了动量轮模拟器功能的开发，在需求接口发生变化时，不便于动量轮模拟器接口与功能的扩展。另外，基于FPGA架构的主控制器在软件编程配置时，往往需要FPGA带有内核CPU，具有成本较高的缺陷，而且软件配置过程比较复杂。

目前关于动量摩擦力矩模型的研究主要集中在静摩擦+动摩擦线性摩擦力矩模型领域。静摩擦力矩与动摩擦力矩之和为总摩擦力矩，其中，静摩擦力矩为固定常数值，动摩擦力矩与动量轮转速采用线性拟合。动量轮按照转速可以分为静摩擦区、边界润滑区、部分液体润滑区、全液体润滑区等四个不同区域，每个区域的动摩擦特性均不一样，但是现有的动量摩擦力矩模型技术均采用线性拟合，不能精确地模拟动量轮的摩擦特性，尤其在需要动量轮模拟器模拟转速瞬间变化时，线性拟合造成的误差对动量轮应用系统的闭路测试会带来的明显误差，因此需要一种更为精准的动量轮模拟技术或模型。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过采用基于自适应摩擦力矩模型的动量轮运动数学模型，克服了现有技术中单纯的线性拟合的缺陷，可以根据试验工况自动选取合适的摩擦力矩模型，更准确的反应随转速变化的摩擦力矩特性的基于自适应摩擦力矩模型的动量轮模拟器。

本发明的技术解决方案是：一种基于自适应摩擦力矩模型的动量轮模拟器，包括摩擦力矩参数修正模块、开关指令采集模块、方向定义采集模块、控制力矩采集模块、转速信号生成模块、指示灯控制模块、功率电源遥测生成模块、电机电流遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块、动量轮模拟器控制模块，其中

摩擦力矩参数修正模块，接收外部发送的动量轮摩擦力矩的特性参数，将动量轮摩擦力矩的特性参数与第一修正配置参数相乘，得到动量轮摩擦力矩修正值T_of；接收外部发送的损耗力矩电压后进行模数转换，得到损耗力矩电压数字信号，然后将损耗力矩电压与第二修正配置参数相乘，得到动量轮摩擦力矩修正值T_of；将动量轮摩擦力矩修正值T_of送至动量轮模拟器控制模块；所述的第一修正配置参数、第二修正配置参数均为不大于1的正数，第一修正配置参数大于第二修正配置参数；所述的损耗力矩电压为当动量轮转速变化时，动量轮驱动电压U_c的变化量；所述的动量轮摩擦力矩的特性参数为当动量轮转速变化时，动量轮摩擦力矩的变化量；

开关指令采集模块，采集外部发送的动量轮模拟器开关指令后产生开关状态量；所述的开关状态量为动量轮模拟器控制模块、功率电源遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块能够识别的状态变量，包括开状态变量或关状态变量；

方向定义采集模块，采集动量轮的转向定义量并送至动量轮模拟器控制模块；所述的转向定义量为动量轮产生的动量轮模拟器控制模块能够识别的状态变量，包括逆时针角加速度或者顺时针角加速度；

控制力矩采集模块，接收外部发送的动量轮驱动电压U_c后进行模数转换，并送至动量轮模拟器控制模块；

动量轮模拟器控制模块，接收动量轮摩擦力矩修正值T_of；读取开关状态量后将开关状态量送至功率电源遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块，同时进行判断，如果开关状态量为开状态变量，则产生指示灯开灯信号后送至指示灯控制模块，如果开关状态量为关状态变量，则产生指示灯关灯信号后送至指示灯控制模块；获取动量轮的转速信号，当开关状态量为开状态变量且转速信号为升速时，在第一电机电流遥测信号的取值范围中任意取值，并作为电机电流遥测信号，当开关状态量为开状态变量且转速信号维持稳定不变时，在第二电机电流遥测信号的取值范围中任意取值，并作为电机电流遥测信号，当开关状态量为关状态变量时，将电机电流遥测信号置为0，将电机电流遥测信号送至电机电流遥测生成模块；读取动量轮驱动电压U_c、转向定义量后进行计算，得到动量轮转速值ω并送至转速信号生成模块，其中，动量轮转速值ω'为动量轮模拟器上一次模拟输出的动量轮转速值

$\omega =\frac{60\times J\times 0.1047198}{2\pi \times (T_c+T_{of}+T_f)}$

T_c为动量轮驱动电压U_c转换得到的驱动力矩值，T_f＝aω'²+bω'+c，ω'的初值为0，J为动量轮的转动惯量，a的取值范围为[3×10^-9，5×10^-9]，b的取值范围为[6×10^-6，9×10^-6]，a的取值范围为[0.002，0.004]；

指示灯控制模块，包括指示灯；当接收到指示灯开灯信号时，指示灯开灯，当接收到指示灯关灯信号时，指示灯关灯；

功率电源遥测生成模块，接收开关状态量后进行判断，如果开关状态量为开状态变量，则产生第一功率电源遥测信号并输出至外部，如果开关状态量为关状态变量，则产生第二功率电源遥测信号并输出至外部；所述的的第一功率电源遥测信号、第二功率电源遥测信号均为电压信号，且第一功率电源遥测信号大于第二功率电源遥测信号；

轴承温度遥测生成模块，接收开关状态量后进行判断，如果开关状态量为开状态变量，则产生第一轴承温度遥测信号并输出至外部，如果开关状态量为关状态变量，则产生第二轴承温度遥测信号并输出至外部；所述的第一轴承温度遥测信号、第二轴承温度遥测信号均为电压值，且第一轴承温度遥测信号大于第二轴承温度遥测信号；

电机电流遥测生成模块，接收电机电流遥测信号后进行模数转换，并输出至外部；

转速信号生成模块，接收动量轮转速值ω后计算得到动量轮转速周期、动量轮转速方向并输出至外部。

所述的第一修正配置参数的取值范围为[0.0008，0.0017]，第二修正配置参数的取值范围为[0.00015，0.00032]。

所述的第一功率电源遥测信号的取值范围为[3.5，5V]，第二功率电源遥测信号的取值范围为(0，1V)。

所述的损耗力矩电压的取值范围为[0，5V]。

所述的第一轴承温度遥测信号的取值范围为[2.5，3V]；所述的第二轴承温度遥测信号的取值范围为[0.5，1V]。

所述的第一电机电流遥测信号的取值范围为[0.466，0.502V]，第二电机电流遥测信号的取值范围为[0.076，0.092V]。

所述的动量轮驱动电压U_c的取值范围为[-10，10V]。

所述的驱动力矩值T_c的计算方法为：

T_c＝K_VF*U_c

其中，当转向定义量为逆时针角加速度时，K_VF的取值范围为[-0.003，-0.12]，当转向定义量为顺时针角加速度时，K_VF的取值范围为[0.003，0.12]。

所述的摩擦力矩参数修正模块、开关指令采集模块、方向定义采集模块、控制力矩采集模块、转速信号生成模块、指示灯控制模块、功率电源遥测生成模块、电机电流遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块、动量轮模拟器控制模块通过CPCI总线挂接在运行VxWorks实时操作系统的CPU上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明动量轮模拟器与现有技术相比，通过采用CPCI总线技术，当动量轮模拟器接口与功能发生变化时，可以通过CPCI总线外挂一个功能接口模块，快捷方便地实现功能接口的扩展，硬件架构灵活；

(2)本发明动量轮模拟器与现有技术相比，通过采用VxWorks实时操作系统，在能够实时、高保真地对动量轮模拟器的各个功能模块进行精确模拟的同时，还可以对控制驱动力矩、摩擦力矩、转速间关系进行实时精确地计算；

(3)本发明动量轮模拟器通过采用基于自适应摩擦力矩模型的动量轮运动数学模型，克服了现有技术中单纯的线性拟合的缺陷，可以根据试验工况自动选取合适的摩擦力矩模型，更准确的反应随转速变化的摩擦力矩特性。

附图说明

图1为本发明动量轮模拟器的输入输出信号示意图；

图2为本发明基于CPCI总线技术和VxWorks实时操作系统的动量轮模拟器架构原理图；

图3为本发明基于自适应摩擦力矩模型的动量轮运动数学模型原理图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于自适应摩擦力矩模型的动量轮模拟器，通过采用基于自适应摩擦力矩模型的动量轮运动数学模型，在运行过程中根据试验工况自动选取合适的摩擦力矩模型，准确反应动量轮随转速变化的摩擦力矩的特性，下面结合附图对本发明模拟器进行详细说明。

本发明动量轮模拟器包括两项关键性技术：(1)基于CPCI总线技术和VxWorks实时操作系统的架构，动量轮模拟器包括的各个功能模块均通过CPCI总线挂接在运行VxWorks实时操作系统的CPU上，各个功能模块根据需求随意配置增减，因此上述架构能实时、高保真地模拟动量轮所有输入输出信号的时序特性和电气特性，并根据各个输入输出信号的特点，采用精确的动量轮运动数学模型，合理优化动量轮模拟器的硬件架构，实现了所有输入输出信号的高保真模拟；(2)采用基于自适应摩擦力矩模型的动量轮运动数学模型，对动量轮摩擦特性进行精确动态配置，根据试验工况自动选取合适的摩擦力矩模型，准确反应动量轮随转速变化的摩擦力矩的特性，实现对控制力矩—摩擦力矩—转速三者之间关系进行精确的模拟。

如图1所示为本发明动量轮模拟器的输入输出信号，包括开关命令、力矩控制信号、测速信号、开关状态遥测信号、速度方向信号、电机电流遥测信号、轴承温度遥测信号、+62(功率电源)遥测信号。

如图2为本发明基于CPCI总线技术和VxWorks实时操作系统的动量轮模拟器架构原理图，包括

摩擦力矩参数修正模块、开关指令采集模块、方向定义采集模块、控制力矩采集模块、转速信号生成模块、指示灯控制模块、功率电源遥测生成模块、电机电流遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块、动量轮模拟器控制模块，其中

摩擦力矩参数修正模块，接收外部发送的动量轮摩擦力矩的特性参数，将动量轮摩擦力矩的特性参数与第一修正配置参数相乘，得到动量轮摩擦力矩修正值T_of；接收外部发送的损耗力矩电压后进行模数转换，得到损耗力矩电压数字信号，然后将损耗力矩电压与第二修正配置参数相乘，得到动量轮摩擦力矩修正值T_of；将动量轮摩擦力矩修正值T_of送至动量轮模拟器控制模块。第一修正配置参数的取值范围为[0.0008，0.0017]，第二修正配置参数的取值范围为[0.00015，0.00032]，损耗力矩电压为当动量轮转速变化时动量轮驱动电压U_c的变化量，即为动量轮摩擦力矩的电压表示形式，动量轮摩擦力矩的特性参数为当动量轮转速变化时动量轮摩擦力矩的变化量，损耗力矩电压的取值范围为[0，5V]。

开关指令采集模块，采集外部发送的动量轮模拟器开关指令后产生开关状态量。开关状态量为动量轮模拟器控制模块、功率电源遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块能够识别的状态变量，包括开状态变量或关状态变量。

方向定义采集模块，采集动量轮的转向定义量并送至动量轮模拟器控制模块。转向定义量为动量轮产生的动量轮模拟器控制模块能够识别的状态变量，包括逆时针角加速度或者顺时针角加速度。

控制力矩采集模块，接收外部发送的动量轮驱动电压U_c后进行模数转换，并送至动量轮模拟器控制模块。动量轮驱动电压U_c的取值范围为[-10，10V]。

动量轮模拟器控制模块，接收动量轮摩擦力矩修正值T_of；读取开关状态量后将开关状态量送至功率电源遥测生成模块、轴承温度遥测生成模块，同时进行判断，如果开关状态量为开状态变量，则产生指示灯开灯信号后送至指示灯控制模块，如果开关状态量为关状态变量，则产生指示灯关灯信号后送至指示灯控制模块；获取动量轮的转速信号，当开关状态量为开状态变量且转速信号为升速时，在第一电机电流遥测信号的取值范围中任意取值，并作为电机电流遥测信号，当开关状态量为开状态变量且转速信号维持稳定不变时，在第二电机电流遥测信号的取值范围中任意取值，并作为电机电流遥测信号，当开关状态量为关状态变量时，将电机电流遥测信号置为0，将电机电流遥测信号送至电机电流遥测生成模块；读取动量轮驱动电压U_c、转向定义量后进行计算，得到动量轮转速值ω并送至转速信号生成模块，其中，动量轮转速值ω'为动量轮模拟器上一次模拟输出的动量轮转速值

$\omega =\frac{60\times J\times 0.1047198}{2\pi \times (T_c+T_{of}+T_f)}$

T_c为动量轮驱动电压U_c转换得到的驱动力矩值，T_f＝aω'²+bω'+c，ω'的初值为0，J为动量轮的转动惯量，a的取值范围为[3×10^-9，5×10^-9]，b的取值范围为[6×10^-6，9×10^-6]，a的取值范围为[0.002，0.004]，第一电机电流遥测信号的取值范围为[0.466，0.502V]，第二电机电流遥测信号的取值范围为[0.076，0.092V]，驱动力矩值T_c的计算方法为：

T_c＝K_VF*U_c

当转向定义量为逆时针角加速度时，K_VF的取值范围为[-0.003，-0.12]，当转向定义量为顺时针角加速度时，K_VF的取值范围为[0.003，0.12]。

指示灯控制模块，包括指示灯；当接收到指示灯开灯信号时，指示灯开灯，当接收到指示灯关灯信号时，指示灯关灯。

功率电源遥测生成模块，接收开关状态量后进行判断，如果开关状态量为开状态变量，则产生第一功率电源遥测信号并输出至外部，如果开关状态量为关状态变量，则产生第二功率电源遥测信号并输出至外部。第一功率电源遥测信号、第二功率电源遥测信号均为电压信号，第一功率电源遥测信号的取值范围为[3.5，5V]，第二功率电源遥测信号的取值范围为(0，1V)。

轴承温度遥测生成模块，接收开关状态量后进行判断，如果开关状态量为开状态变量，则产生第一轴承温度遥测信号并输出至外部，如果开关状态量为关状态变量，则产生第二轴承温度遥测信号并输出至外部。第一轴承温度遥测信号、第二轴承温度遥测信号均为电压值，第一轴承温度遥测信号的取值范围为[2.5，3V]，第二轴承温度遥测信号的取值范围为[0.5，1V]。

电机电流遥测生成模块，接收电机电流遥测信号后进行模数转换，并输出至外部。

转速信号生成模块，接收动量轮转速值ω后计算得到动量轮转速周期、动量轮转速方向并输出至外部。

如图3所示为本发明基于自适应摩擦力矩模型的动量轮运动数学模型原理图，因为动量轮的摩擦特性与实际转速息息相关，本发明模拟器根据转速的不同将动量轮摩擦特性分为四个区域，包括静摩擦区、边界润滑区、部分液体润滑区和全液体润滑区，得到自适应摩擦力矩基础模型为

T_f＝aω'²+bω'+c

其中，a、b、c均为摩擦特性参数，动量轮转速值ω'(rpm)为动量轮模拟器上一次模拟输出的动量轮转速值，ω'的初值为0，T_f为摩擦力矩，四个区域的摩擦特性参数不同，本发明自适应摩擦力矩模型能自动根据当前转速选取相应的区域摩擦特性参数。下面以一款0.5Nm的动量轮为例进行说明，该款动量轮的产品特性如下表所示

按照实际转速将动量轮的摩擦特性分为四个区域，分配如下：区域1(静摩擦区)，|转速|∈[0,100]；区域2(边界润滑区)，|转速|∈(100,500]；区域3(部分液体润滑区)，|转速|∈(500,1200]；区域4(全液体润滑区)，|转速|∈(1200,2500]。

本发明动量轮模拟器在实际工作时，根据动量轮实际转速从相应的摩擦特性参数中自动选取相关区域的系数，得到本实施例中各个动量轮摩擦区域的自适应摩擦力矩模型标定系数a、b、c如下表所示

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。