专利名称：控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，可作为控制力矩陀螺输出力矩、力矩分辨率高精度测试设备，也可以作为动量轮和反作用飞轮输出力矩的高精度测试设备。
背景技术：
随着空间技术的发展，空间站、大型观测卫星等航天器成为世界各国空间战略的重要组成部分，由于动量轮和反作用飞轮输出力矩通常只在1Nm以内，而且随着输出力矩的增加，功率需求也更高，而控制力矩陀螺(ControlMoment Gyroscope，简称CMG)能够有效解决上述问题，因此受到了世界各国的广泛重视与研究。CMG是空间站等长期运行的大型航天器(也包括敏感卫星等小型航天器)实现姿态控制的关键执行机构，而CMG的输出力矩、控制精度和力矩分辨率等性能直接影响着航天器的总体性能，即CMG的性能必须经过精确测量，所以CMG综合性能的测试设备尤为重要，而目前在国内外还未见到CMG综合性能的测试设备和仪器。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，主要用于测试控制力矩陀螺的输出力矩，力矩分辨率，也可以测量动量轮和反作用飞轮的反作用力矩，该测试设备具有测量精度高，低摩擦扰动、操作简单、方便等优点。
本发明的技术解决方案为控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，其特征在于它由机械部分和控制部分组成，其中机械部分包括主轴轴系和滑环轴系，主轴轴系包括空气静压轴承、主轴编码器、工作台和力矩器，力矩器安装在空气静压轴承的下端，用于驱动主轴轴系，空气静压轴承安装在转台的中部，与底座连接，用于支承工作台，主轴编码器安装在工作台的下面，与空气静压轴承相连接，用于测量转台的角位置，工作台处于转台的上部，与空气静压轴承相连接，用于安装被测对象；滑环轴系处于转台下端，采用滚动球轴承，包括滑环、力矩电机、滑环轴编码器和连接板组成，其中滑环处于转台的下端，向上依次为力矩电机和滑环轴编码器，滑环、力矩电机和滑环轴编码器的静止部分与底座相连接，滑环、力矩电机和滑环轴编码器的转动部分与空气静压轴承的转动部相连接，力矩电机用于驱动滑环轴，使其跟随主轴轴系运动，以消除滑环的摩擦力矩，滑环轴编码器通过连接板安装在主轴轴系和滑环轴系之间，用于测量主轴和滑环轴之间的角位置差；主轴轴系和滑环轴系之间通过连接板连接，整个转台系统由底座支承；电气测控系统完成各种数据的管理、处理和显示功能，以控制管理计算机为基础，由轴角运动控制模板、DSP转接模板、周期测量模板、信号处理接口模板、DSP扩展模板等功能模板，以及驱动单元、力矩器和编码器构成闭环系统，控制计算机是电气测控系统的基础，实现对转台主轴和滑环轴的运动控制管理、对用户的各种输入/输出进行管理以及故障检测和安全保护等控制管理功能，它还完成各种数据的管理、处理和显示功能。
本发明的原理是当测试控制力矩陀螺的输出力矩时，转台工作在“自由转动方式”下，转台控制系统不形成闭环控制，处于开环状态，转台台面由于由空气静压轴承支承，摩擦力矩很小，因此可“自由转动”，在此工作方式下，DSP通过读取编码器的信号来获得转台的角位置值，并按定时测角或定角测时的方法计算转台主轴的速率，从而得出力矩陀螺的输出力矩。当进行飞轮的反作用力矩(或控制力矩陀螺较小输出力矩的高精度测试)特性测试时，转台工作在“力矩再平衡方式”下，此时转台在高精度的位置闭环的基础上构成力矩环，在力矩环中，负载(控制力矩陀螺或反作用飞轮)对转台的作用力矩为力矩环的输入，转台力矩器的电枢电流作为输出并通过运算得到负载力矩的大小，从而实现力矩的高精度测试。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明由于采用了空气静压轴承减小摩擦力矩的影响，由于采用伺服滑环系统减小了滑环摩擦力矩的影响；本发明具有操作简单、安全可靠、测量精度高等优点。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的力矩电机轴向剖面图；图3为本发明的力矩器轴向剖面图；图4为本发明的气源示意图；图5为本发明的控制部分原理框图；图6为图5中的轴角运动控制模板结构框图；图7为图5中的周期测量模板的结构框图；图8为本发明的转台力矩环结构原理图；图9为图5中的伺服轴系的结构图；图10为本发明的计算机控制流程图。
具体实施例方式
如图1所示，为本发明由机械部分和控制部分组成，其中机械部分包括主轴轴系和滑环轴系，主轴轴系包括空气静压轴承7、主轴编码器8、工作台9和力矩器6，力矩器6安装在空气静压轴承7的下端，用于驱动主轴轴系，空气静压轴承7安装在转台的中部，与底座1连接，用于支承工作台9，主轴编码器8安装在工作台9的下面，与空气静压轴承7相连接，用于测量转台的角位置，工作台9处于转台的上部，与空气静压轴承7相连接，用于安装被测对象10；滑环轴系处于转台下端，采用滚动球轴承，包括滑环2、力矩电机3、滑环轴编码器5和连接板11组成，其中滑环2处于转台的下端，向上依次为力矩电机3和滑环轴编码器5，滑环2、力矩电机3和滑环轴编码器5的静止部分与底座1相连接，滑环2、力矩电机3和滑环轴编码器5的转动部分与空气静压轴承7的转动部相连接，力矩电机3用于驱动滑环轴，使其跟随主轴轴系运动，以消除滑环2的摩擦力矩，滑环轴编码器5通过连接板11安装在主轴轴系和滑环轴系之间，用于测量主轴和滑环轴之间的角位置差；主轴轴系和滑环轴系之间通过连接板11连接，整个转台系统由底座1支承。
如图2所示，力矩电机3主要由电机定子铁心31、定子线圈32、永磁体33、转子铁心34等部件组成，其中电机定子铁心31和定子线圈32为静止部分，其余为转动部分。
如图3所示，力矩器6主要由定子铁心61、定子线圈62、永磁体63、转子铁心64等部件组成，其中定子铁心61和定子线圈62为静止部分，其余为转动部分。
如图4所示，空气静压轴承7配有专用气源，由空气压缩机、去湿机、过滤器组成，压力的大小通过压力调节阀4进行调节，需配有气源，气源包括空气压缩机、储气筒、冷干机和过滤器，空气由压缩机形成一定压力的大气并储存在储气筒中，经过去湿、过滤后，再经过压力调节器4供给空气静压轴承7。空气静压轴承7的轴、轴套、浮板和止推板材料选用38Cr2MoAl或25CrMoAl等氮化钢材料，具有耐蚀、光滑等优点。
如图5所示，本发明的测控系统主要包括控制计算机、轴角运动控制模板、DSP转接模板、周期测量模板、信号处理接口模板、功率驱动单元。主轴编码器8将主轴的角位置信号通过信号处理接口模板反馈给DSP，再由DSP进行处理运算，然后由信号处理接口模板输出控制信号，通过DSP转接模板进行信号的缓冲和转接。信号处理接口模板将轴角运动控制模板输出的控制信号进行必要的处理后输出给功率驱动单元，同时测量力矩器中的电枢电流。滑环轴编码器5测量主轴和滑环轴之间的角位置误差，将其角位置误差信号反馈力矩电机3的控制器，由控制器控制力矩电机3，从而驱动滑环轴，使其跟随主轴轴系运动，以消除滑环2的摩擦力矩。在测控系统中，控制计算机是测控系统的基础，实现对转台主轴轴系和滑环轴系的运动控制管理、对用户的各种输入/输出进行管理以及故障和安全保护等控制管理功能，它还完成各种数据的管理、处理和显示功能，如用户数据输入，数据的计算显示等。
图5中所示的功率驱动单元主轴功率驱动单元为基于大功率集成运放的高线性度功率放大器，具有过流、过压、限位、失控保护报警和驱动电流输出检测等功能；滑环轴功率驱动单元为基于功率MOS三级管推挽输出电路的电流反馈线性功率放大器，具有过流、过压、限位、失控保护报警等功能。
图5中DSP扩展模板用于轴角运动控制模板与主控计算机之间进行高速的数据传输与交换，以及力矩器电流信号的A/D转换。
图5中所示的信号处理接口模板信号处理接口模板用于编码器信号、伺服控制器、力矩器电枢电流采样信号处理与接口，它将轴角运动控制模板输出的D/A控制信号进行必要的处理后输出给驱动器。信号处理接口模板还将力矩器电枢电流信号进行缓冲放大后送入A/D转换器进行模数转换以测量力矩器的电枢电流。
如图6所示，轴角运动控制模板由DSP、控制接口和逻辑接口组成，搭载于控制计算机中的轴角运动控制模板是转台控制系统的核心。主轴编码器8将主轴的角位置信号通过控制接口反馈给DSP，再由DSP进行处理运算，然后由控制接口输出控制信号，通过DSP转接模板进行信号的缓冲和转接，控制信号的输入和输出由输入到逻辑接口的信号决定。
如图7所示，本发明的周期测量模板14主要由24位可编程分频电路、输出缓冲电路、倍频判向电路、可编程计数电路、状态记录器电路和数据缓冲及逻辑控制电路组成，用于转台定角度间隔同步脉冲信号的产生、转速测量和工作数据及状态在线记录。该模板接收主轴编码器输入的增量脉冲信号，通过倍频判向电路和24位可编程分频电路后并经过输出缓冲电路形成定角周期脉冲(同步脉冲)输出和进行定角脉冲周期计算，由可编程计算电路和状态记录器电路在线记录转台运行数据和状态并掉电保持，并通过控制计算机对记录的位置信息采样并计算和显示转台位置。
如图8所示，为本发明的转台力矩环结构示意图。当进行控制力矩陀螺(或飞轮)的输出力矩特性测试时，转台工作在“力矩再平衡方式”下，此时转台在高精度的位置闭环的基础上构成力矩环，在力矩环中，负载对转台的作用力矩为力矩环的输入，转台力矩器的电枢电流作为输出并通过运算得到负载力矩的大小，图中虚线部分表示计算机运算部分，θ为转台转角，Ki为电流型驱动器的跨导，i为力矩器电枢电流，Km为力矩器的力矩系数，TL为负载力矩，Tm为力矩器的电磁力矩。 为折算到力矩器电枢上的转动惯量， 为轴系摩擦力矩， 为阻尼系数， 为计算机计算值，供输出显示用。
如图9所示，图5中的伺服滑环单元和滑环轴编码器构成为本发明的滑环轴系结构，主要由滑环2、力矩电机3、滑环轴编码器5和连接板11组成，力矩电机3和滑环轴编码器5的静止部分与底座1相连接，滑环2、力矩电机3和滑环轴编码器5的转动部分与空气静压轴承7的转动部相连接，滑环轴编码器5通过连接板11安装在主轴轴系和滑环轴系之间，用于测量主轴和滑环轴之间的角位置误差差，将其角位置误差信号反馈力矩电机3的控制器，由控制器控制力矩电机3，从而驱动滑环轴，使其跟随主轴轴系运动，以消除滑环2的摩擦力矩。
如图10所示，为本发明的计算机控制软件流程图。系统初始化后，首先选择工作方式自由转动方式还是力矩再平衡方式。对于自由转动方式进行测量时，首先给滑环轴写入控制参数，然后闭合滑环轴，选择定时测角或定角测时方式开始测量，显示当前状态(自由转动方式、定角测时或定时测角，故障状态)和主轴速度、位置和力矩(数据和图形显示)，测量结束后，保存数据。最后停止测量，退出系统。对于力矩再平衡方式测量时，首先给主轴和滑环轴写入控制参数，然后闭合主轴与滑环轴，开始测量前，转台归零，通过力矩再平衡方式测量，显示当前状态(力矩再平衡方式、故障状态)和主轴位置和力矩(数据和图形显示)，测量结束后，保存数据。
当测试控制力矩陀螺的输出力矩时，转台工作在“自由转动方式”下，转台控制系统不形成闭环控制，处于开环状态，转台台面9可“自由转动”，在此工作方式下，DSP通过读取编码器的信号来获得转台的角位置值，并按定时测角或定角测时的方法计算转台主轴的速率，从而得出力矩陀螺的输出力矩。
当进行飞轮的反作用力矩特性测试时，转台工作在“力矩再平衡方式”下，此时转台在高精度的位置闭环的基础上构成力矩环，在力矩环中，被测对象10对转台的作用力矩为力矩环的输入，转台力矩器6的电枢电流作为输出并通过运算得到负载力矩的大小。
权利要求
1.控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，其特征在于它由机械部分和控制部分组成，其中机械部分包括主轴轴系和滑环轴系，主轴轴系包括空气静压轴承(7)、主轴编码器(8)、工作台(9)和力矩器(6)，力矩器(6)安装在空气静压轴承(7)的下端，用于驱动主轴轴系，空气静压轴承(7)安装在转台的中部，与底座(1)连接，用于支承工作台(9)，主轴编码器(8)安装在工作台(9)的下面，与空气静压轴承(7)相连接，用于测量转台的角位置，工作台(9)处于转台的上部，与空气静压轴承(7)相连接，用于安装被测对象(10)；滑环轴系处于转台下端，采用滚动球轴承，包括滑环(2)、力矩电机(3)、滑环轴编码器(5)和连接板(11)组成，其中滑环(2)处于转台的下端，向上依次为力矩电机(3)和滑环轴编码器(5)，滑环(2)、力矩电机(3)和滑环轴编码器(5)的静止部分与底座(1)相连接，滑环(2)、力矩电机(3)和滑环轴编码器(5)的转动部分与空气静压轴承(7)的转动部相连接，力矩电机(3)用于驱动滑环轴，使其跟随主轴轴系运动，以消除滑环(2)的摩擦力矩，滑环轴编码器(5)通过连接板(11)安装在主轴轴系和滑环轴系之间，用于测量主轴和滑环轴之间的角位置差；主轴轴系和滑环轴系之间通过连接板(11)连接，整个转台系统由底座(1)支承；电气测控系统完成各种数据的管理、处理和显示功能，以控制管理计算机为基础，由轴角运动控制模板、DSP转接模板、周期测量模板、信号处理接口模板、DSP扩展模板等功能模板，以及驱动单元、力矩器和编码器构成闭环系统，控制计算机是电气测控系统的基础，实现对转台主轴和滑环轴的运动控制管理、对用户的各种输入/输出进行管理以及故障检测和安全保护等控制管理功能，它还完成各种数据的管理、处理和显示功能。
2.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，其特征在于所述的空气静压轴承(7)需配有气源，所述的气源包括空气压缩机、储气筒、冷干机和过滤器，空气由压缩机形成一定压力的大气并储存在储气筒中，经过去湿、过滤后，再经过压力调节器(4)供给空气静压轴承(7)。
3.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，其特征在于所述的空气静压轴承7的轴、轴套、浮板和止推板材料选用38Cr2MoAl或25CrMoAl。
4.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，其特征在于所述的空气静压轴承(7)的压力通过压力调节器(4)进行调节，压力调节器(4)处于底座(1)的中部，并与底座(1)相连接。
5.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，其特征在于所述的主轴编码器(8)和滑环轴编码器(5)采用非接触角位置编码器。
6.根据权利要求5所述的控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，其特征在于所述的非接触角位置编码器为光电编码器，或旋转变压器。
全文摘要
控制力矩陀螺用力矩测试气浮转台，主要由空气静压轴承、主轴编码器、工作台和力矩器组成，其中，主轴编码器用于测量转台的角位置，工作台用于安装被测对象，力矩器安装在空气静压轴承的下端，用于驱动主轴轴系。滑环轴系采用滚动球轴承，主要由力矩电机和滑环轴编码器组成，其中，力矩电机用于驱动滑环轴，使其跟随主轴运动，以消除滑环的摩擦力矩，滑环轴编码器装在主轴轴系和滑环轴系之间，用于测量主轴和滑环轴之间的角位置差。空气静压轴承的压力可以通过压力调节器进行调节。本发明解决了如何测试控制力矩陀螺的输出力矩和飞轮的反作用力矩，具有低摩擦扰动、操作简单、方便，测量精度高等优点。
文档编号G01M99/00GK1851428SQ200610011829
公开日2006年10月25日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者房建成, 韩邦成, 郦吉臣, 刘刚, 孙津济 申请人:北京航空航天大学