專利名稱：：具有故障模擬功能的飛輪模擬器及實現方法
技術領域：
：本發明涉及一種飛輪模擬器及其模擬故障的實現方法。
背景技術：
：飛輪是慣性器件，在衛星穩態飛行姿態控制中起著至關重要的作用，衛星的三軸穩定控制系統都采用飛輪作為主要的執行部件。采用飛輪的控制系統可以保證衛星在軌運行的可靠性和長壽命。與噴氣控制方式相比較，飛輪控制方式具有燃料消耗少，控制精度高，無環境污染，壽命長等明顯優點。所以在衛星姿態控制中得到廣泛的應用。反作用飛輪是飛輪產品中的主要類型，控制系統利用飛輪正反轉加速、減速所產生的反作用力矩，直接作用于衛星星體產生控制力矩。反作用飛輪控制方式控制精度高，為許多高精度衛星所采用。飛輪模擬器主要用來模擬真實飛輪的輸入輸出特性，解算飛輪模型。飛輪模擬器作為一種重要的仿真模擬設備，與采用真實飛輪進行衛星姿態控制系統的地面測試相比，具有經濟性、可控性、無破壞性、可靠性等諸多優點，可以極大地降低衛星地面測試過程中的成本，提高測試過程的易操控性、安全性和可靠性。同時，由于可以在線調整飛輪電模擬器內部參數來改變電模擬器的輸出特性(如最大轉速、轉動慣量等)，使其應用于不同型號衛星的地面測試過程中，提高飛輪電模擬器的通用性，同時提高使用效率，降低成本。
發明內容本發明為了解決現有的飛輪模擬器不支持故障模擬功能的問題，提供一種具有故障模擬功能的飛輪模擬器及實現方法。具有故障模擬功能的飛輪模擬器，它由RS-485收發器、控制電壓輸入接口、A/D轉換器、數據處理器DSP、數字隔離磁耦、第一D/A轉換器、第二D/A轉換器、驅動芯片、第一模擬量輸出口、第二模擬量輸出口、飛輪轉速輸出口和飛輪轉速方向輸出口，所述RS-485收發器的串行通訊口與所述數據處理器DSP的RS-485串行通訊口相連，RS-485收發器用于注入飛輪模擬器的參數及故障類型，控制電壓輸入接口的輸出端與A/D轉換器輸入端相連，A/D轉換器的信號輸入/輸出端與數據處理器DSP的電壓信號輸入/輸出端相連，數據處理器DSP的飛輪軸溫信號輸出端與數字隔離磁耦的第一數字量輸入端相連，數據處理器DSP的飛輪電機電流信號輸出端與數字隔離磁耦的第二數字量輸入端相連，數據處理器DSP的飛輪轉速輸出端與數字隔離磁耦的飛輪轉速輸入端相連，數據處理器DSP的飛輪轉速方向輸出端與數字隔離磁耦的飛輪轉速方向輸入端相連，數字隔離磁耦的第一數字量輸出端與第一D/A轉換器的信號輸入端相連，第一D/A轉換器的信號輸出端與第一模擬量輸出口的信號輸入端相連、數字隔離磁耦的第二數字量輸出端與第二D/A轉換器的信號輸入端相連，第二D/A轉換器的信號輸出端與第二模擬量輸出口的信號輸入端相連、數字隔離磁耦的飛輪轉速輸出端與驅動芯片的飛輪轉速輸入端相連，驅動芯片的飛輪轉速輸出端與飛輪轉速輸出口的信號輸入端相連，數字隔離磁耦的飛輪轉速方向輸出端與驅動芯片的飛方向輸出口的信號輸入端相連，數據處理器DSP內部固化有飛輪模擬器主控制器和控制電壓緩存器。使用上述模擬器實現飛輪故障模擬的方法，每次故障模擬具體如下步驟A、參數和故障類型通過RS-485收發器注入飛輪模擬器主控制器，所述參數包括飛輪模型參數、仿真周期信息、飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數；步驟B、A/D轉換器采集當前控制電壓U，并將所述電壓U傳遞至飛輪模擬器主控制器；步驟C、飛輪模擬器主控制器將控制電壓緩存器a的內容更新為步驟B獲得的控制電壓U;步驟D、飛輪模擬器主控制器根據接收到的參數和故障類型進行故障注入指令的分析，按照故障類型輸出相應故障信號；步驟D中輸出的信號中的遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號通過數字隔離磁耦發送給D/A轉換器進行數/模轉換，轉換后獲得的兩路模擬信號分別經第一模擬量輸出口和第二模擬量輸出口輸出；飛輪模擬器主控制器將步驟D獲得的飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號通過數字隔離磁耦發送給驅動芯片，獲得兩路驅動信號經飛輪轉速輸出口和飛輪轉速方向輸出口輸出。本次故障模擬結束后返回步驟A進行下一次故障模擬。本發明用于衛星測試或其他系統中，使原本不支持故障模擬功能的飛輪設備模擬器支持故障模擬。本發明采用DSP為核心控制器實現了反作用飛輪的電氣特性的模擬，數字隔離磁耦進一步隔離了星上設備與地面測試設備電氣，DSP能夠根據故障注入的參數對飛輪模型進行調整，設計靈活。本發明適用于衛星姿態控制系統測試與仿真。圖1為飛輪模擬器的電氣原理結構示意圖。圖2為使用飛輪模擬器實現飛輪故障模擬的方法的流程圖。圖3為圖2中步驟D的流程圖。圖4飛輪模擬器應用于衛星姿態控制系統的結構示意圖。具體實施例方式具體實施方式一、結合圖1說明本實施方式，具有故障模擬功能的飛輪模擬器，它由RS-485收發器1、控制電壓輸入接口2、A/D轉換器3、數據處理器DSP4、數字隔離磁耦5、第一D/A轉換器7-l、第二D/A轉換器7-2、驅動芯片7-3、第一模擬量輸出口6_1、第二模擬量輸出口6-2、飛輪轉速輸出口6-3和飛輪轉速方向輸出口6-4，所述RS-485收發器1的串行通訊口與所述數據處理器DSP4的RS-485串行通訊口相連，RS-485收發器1用于注入飛輪模擬器的參數及故障類型，控制電壓輸入接口2的輸出端與A/D轉換器3輸入端相連，A/D轉換器3的信號輸入/輸出端與數據處理器DSP4的電壓信號輸入/輸出端相連，數據處理器DSP4的飛輪軸溫信號輸出端與數字隔離磁耦5的第一數字量輸入端相連，數據處理器DSP4的飛輪電機電流信號輸出端與數字隔離磁耦5的第二數字量輸入端相連，數據處理器DSP4的飛輪轉速輸出端與數字隔離磁耦5的飛輪轉速輸入端相連，數據處理器DSP4的飛輪轉速方向輸出端與數字隔離磁耦5的飛輪轉速方向輸入端相連，數字隔離磁耦5的第一數字量輸出端與第一D/A轉換器7-1的信號輸入端相連，第一D/A轉換器7-1的信號輸出端與第一模擬量輸出口6-1的信號輸入端相連、數字隔離磁耦5的第二數字量輸出端與第二D/A轉換器7-2的信號輸入端相連，第二D/A轉換器7-2的信號輸出端與第二模擬量輸出口6-2的信號輸入端相連、數字隔離磁耦5的飛輪轉速輸出端與驅動芯片7-3的飛輪轉速輸入端相連，驅動芯片7-3的飛輪轉速輸出端與飛輪轉速輸出口6-3的信號輸入端相連，數字隔離磁耦5的飛輪轉速方向輸出端與驅動芯片7-3的飛輪轉速方向輸入端相連，驅動芯片7-3的飛輪轉速方向輸出端與飛輪轉速方向輸出口6-4的信號輸入端相連，數據處理器DSP4內部固化有飛輪模擬器主控制器4-1和控制電壓緩存器a。本實施方式中的RS-485收發器1可以選用采用NVE公司的IL422芯片，數據處理器DSP4可以采用TI公司的TMS320LF2407A芯片。具體實施方式二、結合圖2說明本實施方式，本實施方式是使用具體實施方式一所述的模擬器實現飛輪故障模擬的方法，每次故障模擬具體如下步驟A、參數和故障類型通過RS-485收發器1注入飛輪模擬器主控制器4_1，所述參數包括飛輪模型參數、仿真周期信息、飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數；步驟B、A/D轉換器3采集當前控制電壓U，并將所述電壓U傳遞至飛輪模擬器主控制器4-1;步驟C、飛輪模擬器主控制器4-1將控制電壓緩存器a的內容更新為步驟B獲得的控制電壓U;步驟D、飛輪模擬器主控制器4-1根據接收到的參數和故障類型進行故障注入指令的分析，按照故障類型輸出相應故障信號；步驟D中輸出的信號中的遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號通過數字隔離磁耦5發送給D/A轉換器進行數/模轉換，轉換后獲得的兩路模擬信號分別經第一模擬量輸出口6-1和第二模擬量輸出口6-2輸出；飛輪模擬器主控制器4-1將步驟D獲得的飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號通過數字隔離磁耦5發送給驅動芯片，獲得兩路驅動信號經飛輪轉速輸出口6-3和飛輪轉速方向輸出口6-4輸出。本次故障模擬結束后返回步驟A進行下一次故障模擬。在步驟A前，要經過初始化首先初始化DSP內部相關寄存器設置，進行自檢，自檢通過后，啟動定時器開始對周期計時。具體實施方式三結合圖3說明本實施方式，本實施方式是對步驟D的進一步說明步驟D1、判斷故障類型，若故障類型為0，則執行步驟D2，若故障類型為l，則執行步驟D4，故障類型為2，則執行步驟D5，故障類型為3，則執行步驟D8，故障類型為4，則執行步驟Dll，故障類型為5，則執行步驟D16;步驟D2、飛輪模擬器主控制器4-1按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D3、讀取經RS-485收發器l注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，獲得遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D4、飛輪模擬器不輸出飛輪轉速脈沖信號、轉速方向信號、遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D5、飛輪模擬器持續N個仿真周期不輸出飛輪轉速脈沖信號、轉速方向信號、遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，其中N為正整數；步驟D6、故障持續時間結束，飛輪模擬器主控制器4-1按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D7、讀取經RS-485收發器l注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，并將所述飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數轉換成模擬信號輸出，此次故障模擬結束；步驟D8、飛輪模擬器主控制器4-1按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D9、飛輪模擬器主控制器4-1改變飛輪極性；步驟D10、讀取經RS-485收發器1注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，獲得遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D11、飛輪模擬器主控制器4-1按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D12、飛輪模擬器主控制器4-1改變飛輪極性；步驟D13、飛輪模擬器持續M個仿真周期，其中M為正整數；步驟D14、故障持續時間結束，飛輪模擬器主控制器4-1改變飛輪極性，此次故障模擬結束；步驟D15、讀取經RS-485收發器1注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，獲得遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D16、飛輪模擬器主控制器4-1將控制電壓U清0;步驟D17、飛輪模擬器主控制器4-1恢復參數為缺省值，此次故障模擬結束。表1列出故障類型參數對應的故障模擬功能表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>飛輪模擬器軟復位，取消當前飛輪工作故障，恢復飛輪模擬器工作狀態至初始狀態<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本實施方式中，用于注入故障參數的RS-485收發器1和數據處理器DSP4之間的通訊協議可以采用表2所示的通訊協議表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>具體實施方式四本實施方式是對步驟D2、步驟D6、步驟D8和步驟Dll中所述的按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號的過程進一步說明飛輪模擬器的數學模型如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中J為飛輪轉動慣量；t為飛輪仿真周期為飛輪電機力矩系數；K2為飛輪反電勢系數；U為控制電壓，W為飛輪角速度；飛輪模擬器輸出轉速脈沖頻率的計算方法為^xlS單位為Hz，轉速方向為TTL信號，高電平代表正轉，低電平代表反轉。具體實施方式五結合圖4說明本實施方式，本實施方式是將本發明的飛輪模擬器應用于衛星姿態控制系統中，硬件連接關系為調度計算機通過RS-485總線接口與四路飛輪模擬器的RS-485收發器1連接，實現四路飛輪模擬器的參數和故障類型的注入，RS-485總線接口將參數和故障類型信息同時傳送給四路飛輪模擬器的RS-485收發器1連接，四路測試飛輪模擬器主控器4-1則按照通訊協議規定提取屬于本飛輪模擬器的參數信息，以進行模型解算及飛輪故障模擬。權利要求具有故障模擬功能的飛輪模擬器，其特征在于它由RS-485收發器(1)、控制電壓輸入接口(2)、A/D轉換器(3)、數據處理器DSP(4)、數字隔離磁耦(5)、第一D/A轉換器(7-1)、第二D/A轉換器(7-2)、驅動芯片(7-3)、第一模擬量輸出口(6-1)、第二模擬量輸出口(6-2)、飛輪轉速輸出口(6-3)和飛輪轉速方向輸出口(6-4)，所述RS-485收發器(1)的串行通訊口與所述數據處理器DSP(4)的RS-485串行通訊口相連，RS-485收發器(1)用于注入飛輪模擬器的參數及故障類型，控制電壓輸入接口(2)的輸出端與A/D轉換器(3)輸入端相連，A/D轉換器(3)的信號輸入/輸出端與數據處理器DSP(4)的電壓信號輸入/輸出端相連，數據處理器DSP(4)的飛輪軸溫信號輸出端與數字隔離磁耦(5)的第一數字量輸入端相連，數據處理器DSP(4)的飛輪電機電流信號輸出端與數字隔離磁耦(5)的第二數字量輸入端相連，數據處理器DSP(4)的飛輪轉速輸出端與數字隔離磁耦(5)的飛輪轉速輸入端相連，數據處理器DSP(4)的飛輪轉速方向輸出端與數字隔離磁耦(5)的飛輪轉速方向輸入端相連，數字隔離磁耦(5)的第一數字量輸出端與第一D/A轉換器(7-1)的信號輸入端相連，第一D/A轉換器(71)的信號輸出端與第一模擬量輸出口(6-1)的信號輸入端相連、數字隔離磁耦(5)的第二數字量輸出端與第二D/A轉換器(7-2)的信號輸入端相連，第二D/A轉換器(7-2)的信號輸出端與第二模擬量輸出口(6-2)的信號輸入端相連、數字隔離磁耦(5)的飛輪轉速輸出端與驅動芯片(7-3)的飛輪轉速輸入端相連，驅動芯片(7-3)的飛輪轉速輸出端與飛輪轉速輸出口(6-3)的信號輸入端相連，數字隔離磁耦(5)的飛輪轉速方向輸出端與驅動芯片(7-3)的飛輪轉速方向輸入端相連，驅動芯片(7-3)的飛輪轉速方向輸出端與飛輪轉速方向輸出口(6-4)的信號輸入端相連，數據處理器DSP(4)內部固化有飛輪模擬器主控制器(4-1)和控制電壓緩存器(a)。2.利用權利要求1所述的模擬器實現飛輪故障模擬的方法，其特征在每次故障模擬具體過程如下步驟A、參數和故障類型通過RS-485收發器(1)注入飛輪模擬器主控制器(4-1)，所述參數包括飛輪模型參數、仿真周期信息、飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數；步驟B、A/D轉換器(3)采集當前控制電壓U，并將所述電壓U傳遞至飛輪模擬器主控制器(4-1);步驟C、飛輪模擬器主控制器(4-1)將控制電壓緩存器(a)的內容更新為步驟B獲得的控制電壓U;步驟D、飛輪模擬器主控制器(4-1)根據接收到的參數和故障類型進行故障注入指令的分析，按照故障類型輸出相應故障信號；步驟D中輸出的信號中的遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號通過數字隔離磁耦(5)發送給D/A轉換器進行數/模轉換，轉換后獲得的兩路模擬信號分別經第一模擬量輸出口(6-1)和第二模擬量輸出口(6-2)輸出；飛輪模擬器主控制器(4-1)將步驟D獲得的飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號通過數字隔離磁耦(5)發送給驅動芯片，獲得兩路驅動信號經飛輪轉速輸出口(6-3)和飛輪轉速方向輸出口(6-4)輸出。3.根據權利要求2所述的使用飛輪模擬器實現飛輪故障模擬的方法，其特征在于步驟D所述的按照故障類型進行處理是指，根據故障類型作相應的處理，具體過程如下步驟Dl、判斷故障類型，若故障類型為0，則執行步驟D2，若故障類型為1，則執行步驟D4，故障類型為2，則執行步驟D5，故障類型為3，則執行步驟D8，故障類型為4，則執行步驟Dll，故障類型為5，則執行步驟D16;步驟D2、飛輪模擬器主控制器(4-1)按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D3、讀取經RS-485收發器(1)注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，獲得遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D4、飛輪模擬器不輸出飛輪轉速脈沖信號、轉速方向信號、遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D5、飛輪模擬器持續N個仿真周期不輸出飛輪轉速脈沖信號、轉速方向信號、遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，其中N為正整數；步驟D6、故障持續時間結束，飛輪模擬器主控制器(4-1)按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D7、讀取經RS-485收發器(1)注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，并將所述飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數轉換成模擬信號輸出，此次故障模擬結束；步驟D8、飛輪模擬器主控制器(4-1)按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D9、飛輪模擬器主控制器(4-1)改變飛輪極性；步驟D10、讀取經RS-485收發器(1)注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，獲得遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D11、飛輪模擬器主控制器(4-1)按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號；步驟D12、飛輪模擬器主控制器(4-1)改變飛輪極性；步驟D13、飛輪模擬器持續M個仿真周期，其中M為正整數；步驟D14、故障持續時間結束，飛輪模擬器主控制器(4-1)改變飛輪極性，此次故障模擬結束；步驟D15、讀取經RS-485收發器(1)注入數據中的飛輪軸溫參數和飛輪電機電流數據參數，獲得遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號，此次故障模擬結束；步驟D16、飛輪模擬器主控制器(4-1)將控制電壓U清O;步驟D17、飛輪模擬器主控制器(4-1)恢復參數為缺省值，此次故障模擬結束。4.根據權利要求2所述的使用飛輪模擬器實現飛輪故障模擬的方法，其特征在于步驟D2、步驟D6、步驟D8和步驟D11中按照飛輪模擬器的數學模型進行計算，獲得飛輪轉速脈沖信號和轉速方向信號的過程為飛輪模擬器的數學模型如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中J為飛輪轉動慣量；t為飛輪仿真周期；K1為飛輪電機力矩系數；K2為飛輪反電勢系數；U為控制電壓，W為飛輪角速度；飛輪模擬器輸出轉速脈沖頻率的計算方法為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>單位為Hz，轉速方向為TTL信號，高電平代表正轉，低電平代表反轉。全文摘要具有故障模擬功能的飛輪模擬器及實現方法，它涉及一種飛輪模擬器及其模擬故障的實現方法，解決了現有的飛輪模擬器不支持故障模擬功能的問題。所述飛輪模擬器通過RS-485收發器向數據處理器DSP注入故障參數，數據處理器DSP通過A/D轉換器采集控制電壓信號，然后根據注入的故障參數計算獲得故障參數中指定故障狀態對應的故障參數，并將所述故障參數通過數字隔離磁耦發送給D/A轉換器和驅動芯片，最終獲得模擬故障的四路信號輸出。所述輸出的故障參數有飛輪轉速脈沖、轉速方向以及遙測飛輪軸溫信號和遙測飛輪電機電流信號。本發明適用于衛星姿態控制系統測試與仿真。文檔編號G05B19/04GK101738956SQ20091031249公開日2010年6月16日申請日期2009年12月29日優先權日2009年12月29日發明者劉兆慶,劉旺,彭喜元,楊智明,趙光權,鄭博申請人:哈爾濱工業大學