技术领域本发明涉及一种电机测试领域，特别是一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统。
背景技术：
动压陀螺电机是一种以动压气浮轴承为支撑结构的高速运转电机，由于该电机具备长寿命、超低振动、低噪音、抗过载能力强、转速波动小等特点，应用于陀螺仪表和惯性平台上。目前动压陀螺电机特性参数的测量方法为在电机状态，通过功率计配合反作用力矩测试仪测量其机械特性。但当动压电机装入陀螺仪表或安装到惯性平台上后，只能通过采集陀螺电机的电压和电流来间接判断电机本体和动压轴承的好坏，而电机最为关键的气浮轴承力矩参数不能测量，导致陀螺电机从装入仪表、平台后到最终上弹使用没有对气浮轴承形成直接的量化评估。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，用于高速永磁、磁滞动压电机测试，解决了陀螺电机从装入仪表、平台后到最终上弹使用，无法对气浮轴承状态进行量化评估的问题。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，包括电机控制单元、电压传感器单元、三相电压采集单元、电压比较单元、信号调理单元、滤波单元、高速数据采集单元、中央处理单元、通信单元、上位机数据分析解算单元、测试结果显示及存储单元；电机控制单元：接收中央处理单元传来的控制信号，控制外部陀螺电机的的启动和停止；电压传感器单元：测试外部陀螺电机在断电后的三相反电动势，生成三相电压信号，传输给三相电压采集单元；三相电压采集单元：采集电压传感器单元传来的三相电压信号，并将三相电压信号传输给电压比较单元；电压比较单元：接收三相电压采集单元传来的三相电压信号，并将三相电压信号与标准电压比较；当电压幅值大于12V时，将三相电压信号输出至信号调理单元；当电压幅值为1.25V-12V时，将三相电压信号输出至信号调理单元；当电压幅值为0-1.25V时，将三相电压信号传输到滤波单元；信号调理单元：接收电压比较单元传来的电压幅值大于12V的三相电压信号，并进行降压处理，调整到1.25V-12V内，并进行方波转换生成三相标准方波电压信号，传输至滤波单元；接收电压比较单元传来的电压幅值为1.25V-12V的三相电压信号，并进行方波转换生成三相标准方波电压信号，传输至滤波单元；接收滤波单元传来的升压后的三相电压信号，并将三相电压信号进行方波转换，变换成三相标准方波电压信号，将三相标准方波电压信号传输至滤波单元；滤波单元：接收电压比较单元传来的0-1.25V三相电压信号，进行滤波和升压处理后，调整到1.25V-12V内，将升压后的三相电压信号输出至信号调理单元；接收信号调理单元传来的三相标准方波电压信号，直接输出三相标准方波电压信号至高速数据采集单元；或将三相标准方波电压信号生成三相同步方波电压信号后传输到高速数据采集单元；高速数据采集单元：接收滤波单元传来的三相标准方波电压信号或三相同步方波电压信号；并根据方波电压信号每遇到一个过零点就计数1次，计算出计数结果j＝1，2，3……q，q为正整数，将计数结果传输给中央处理单元；中央处理单元：首先发出陀螺电机启动信号至电机控制单元，电机控制单元控制外部陀螺电机达到同步转速后，中央处理单元发出断电控制信号，将断电控制信号传输给电机控制单元；并同步接收高速数据采集单元传来的计数结果，进行存储，并计算反电动势半周期Tj；Tj为计数结果乘以计数器晶振的固有触发时间，将计数结果和反电动势半周期Tj经通信单元传输到上位机数据分析解算单元；通信单元：接收中央处理单元传来的计数结果和反电动势半周期Tj，并将计数结果和反电动势半周期Tj传输至上位机数据分析解算单元；上位机数据分析解算单元：接收通信单元传来的计数结果和反电动势半周期Tj；计算得到惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩参数；并将惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩传输至测试结果显示及存储单元；测试结果显示及存储单元：接收上位机数据解算分析单元传来的惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩；实时转速在测试过程中作实时数值显示和存储；触地阻力矩、触地时间、触地转速、触地阻力矩参数在测试结束，显示在测试结果界面。在上述的一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，所述滤波单元中，当三相标准方波电压信号幅值不在设定的滤波电压范围内时，滤波单元将三相标准方波电压信号直接输出至高速数据采集单元；当三相标准方波电压信号幅值在滤波电压范围内时，滤波单元对三相标准方波电压信号进行滤波及差分放大处理，将电压幅值在预设电压范围内的三相标准方波电压信号进行噪声滤除，电压幅值放大10倍，频率保持同步，生成三相同步方波电压信号，将三相同步方波电压信号传输到高速数据采集单元。在上述的一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，设定的滤波电压范围为-1～+1v；预设电压范围为：-1.25V～+1.25V。在上述的一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩参数计算方法如下：惯性运转时间T：T=Σj=1qTj,j=1,2,3......q,]]>单位s；其中，Tj为电机断电至转子停转过程反电动势半周期Tj，单位为s；q为马达断电至转子停转过程的三相反电势信号所有半周期数，即计数结果；断电惯性运转过程中相邻半周期的变化值ΔTj为：ΔTj＝Tj-Tj-1，j＝1，2，3……q，单位s；触地时间Tc：从外部陀螺电机断电到外部陀螺电机触地的时间，其中c为触地时刻电压半周期数，c为正整数，假定当q＝c时，判定为陀螺电机触地；Tc=Σj=1cTj,j=1,2,3......c,]]>单位s；触地转速判定：相邻半周期的变化值ΔTc需大于经验设定值δ，可求出c的值；ΔTc＝|Tc-Tc-1|>δ，单位s；实时转速n：n＝60/p(Tj+Tj-1)，单位rpm；触地转速nc：nc＝60/p(Tc+Tc-1)，单位rpm；转速波动△ωj：ωj＝π/Tj；Δωj＝π/Tj-π/Tj-1其中，p为电机极对数；ωj为电机旋转角速度，单位为rad/s；△ωj为旋转角速度变化量，单位为rad/s；旋转阻力矩M：为外部陀螺电机在断电后停转过程中所受的阻力矩总和；M=Jdωdt=JΔωj/ΔTj]]>触地阻力矩Mc：为Tc触地时刻的旋转阻力矩；Mc=Jdωdt=JΔωc/ΔTc]]>其中，J为外部陀螺电机转子转动惯量；△ωc为触地时刻陀螺电机旋转角速度变化量，单位为rad/s。在上述的一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，所述的信号调理单元中，将可编程增益仪表放大器与全差分漏斗衰减放大器级联，提供高差分输入阻抗和-110dB总谐波失真，将反电势信号幅值调整到-12～+12V的被测有效范围内，同时将反电动势三相正弦波信号转换成方波信号。在上述的一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，所述的滤波单元为抗混叠滤波器。本发明与现有技术相比具有如下优点：(1)本发明采用了采用反电动势测量法，从三相反电势信号中提取有效半周期信号Tj，实现了外部陀螺电机在浮子、陀螺仪表、惯性平台等状态下包括触地阻力矩、触地时间、触地转速、惯性运转时间等特性参数的测量，有效解决了陀螺电机从装入仪表、平台后到最终上弹使用没有对气浮轴承形成直接的量化评估方法的问题；(2)本发明采用了上位机数据分析解算单元，通过公式实现了陀螺电机在不同状态下的惯性运转时间的测量；通过公式ΔTc＝|Tc-Tc-1|>δ，当相邻半周期的变化值ΔTc大于经验设定值δ时，实现了陀螺电机在不同状态下的触地转速的测量；通过公式n＝60/p(Tj+Tj-1)，实现了陀螺电机在不同状态下的实时转速的测量；通过公式实现了陀螺电机旋转阻力矩M在断电后停转过程中的测量曲线；(3)本发明中滤波单元采用抗混叠滤波器，对提供给ADC输入端的信号和噪声带宽进行限制，防止不需要的混叠效应，提高陀螺电机惯性转动后期反电动势信号的信噪比；(4)本发明中信号调理单元，将可编程增益仪表放大器与全差分漏斗衰减放大器级联，提供高差分输入阻抗和-110dB总谐波失真。附图说明图1为本发明一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统原理框图；图2为本发明反电势法波形转换原理图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：如图1所示为高速动压陀螺电机触地转速测试系统原理框图，由图可知，包括电机控制单元、电压传感器单元、三相电压采集单元、电压比较单元、信号调理单元、滤波单元、高速数据采集单元、中央处理单元、通信单元、上位机数据分析解算单元、测试结果显示及存储单元；电机控制单元：接收中央处理单元传来的控制信号，控制外部陀螺电机的的启动和停止；电压传感器单元：测试外部陀螺电机在断电后的三相反电动势，生成三相电压信号，传输给三相电压采集单元；三相电压采集单元：采集电压传感器单元传来的三相电压信号，并将三相电压信号传输给电压比较单元；电压比较单元：接收三相电压采集单元传来的三相电压信号，并将三相电压信号与标准电压比较；当电压幅值大于12V时，将三相电压信号输出至信号调理单元；当电压幅值为1.25V-12V时，将三相电压信号输出至信号调理单元；当电压幅值为0-1.25V时，将三相电压信号传输到滤波单元；信号调理单元：将可编程增益仪表放大器与全差分漏斗衰减放大器级联，提供高差分输入阻抗和-110dB总谐波失真，将反电势信号幅值调整到-12～+12V的被测有效范围内，同时将反电动势三相正弦波信号转换成方波信号；接收电压比较单元传来的电压幅值大于12V的三相电压信号，并进行降压处理，调整到1.25V-12V内，并进行方波转换生成三相标准方波电压信号，传输至滤波单元；接收电压比较单元传来的电压幅值为1.25V-12V的三相电压信号，并进行方波转换生成三相标准方波电压信号，传输至滤波单元；接收滤波单元传来的升压后的三相电压信号，并将三相电压信号进行方波转换，变换成三相标准方波电压信号，将三相标准方波电压信号传输至滤波单元；滤波单元：为抗混叠滤波器；接收电压比较单元传来的0-1.25V三相电压信号，进行滤波和升压处理后，调整到1.25V-12V内，将升压后的三相电压信号输出至信号调理单元；接收信号调理单元传来的三相标准方波电压信号，直接输出三相标准方波电压信号至高速数据采集单元；或将三相标准方波电压信号生成三相同步方波电压信号后传输到高速数据采集单元；当三相标准方波电压信号幅值不在设定的滤波电压范围内时，滤波单元将三相标准方波电压信号直接输出至高速数据采集单元；当三相标准方波电压信号幅值在滤波电压范围内时，滤波单元对三相标准方波电压信号进行滤波及差分放大处理，将电压幅值在预设电压范围内的三相标准方波电压信号进行噪声滤除，电压幅值放大10倍，频率保持同步，生成三相同步方波电压信号，将三相同步方波电压信号传输到高速数据采集单元；其中，设定的滤波电压范围为-1～+1v；预设电压范围为：-1.25V～+1.25V。高速数据采集单元：接收滤波单元传来的三相标准方波电压信号或三相同步方波电压信号；并根据方波电压信号每遇到一个过零点就计数1次，计算出计数结果j＝1，2，3……q，q为正整数，将计数结果传输给中央处理单元；中央处理单元：首先发出陀螺电机启动信号至电机控制单元，电机控制单元控制外部陀螺电机达到同步转速后，中央处理单元发出断电控制信号，将断电控制信号传输给电机控制单元；并同步接收高速数据采集单元传来的计数结果，进行存储，并计算反电动势半周期Tj；Tj为计数结果乘以计数器晶振的固有触发时间，将计数结果和反电动势半周期Tj经通信单元传输到上位机数据分析解算单元；通信单元：接收中央处理单元传来的计数结果和反电动势半周期Tj，并将计数结果和反电动势半周期Tj传输至上位机数据分析解算单元；上位机数据分析解算单元：接收通信单元传来的计数结果和反电动势半周期Tj；计算得到惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩参数；并将惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩传输至测试结果显示及存储单元；测试结果显示及存储单元：接收上位机数据解算分析单元传来的惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩；实时转速在测试过程中作实时数值显示和存储；触地阻力矩、触地时间、触地转速、触地阻力矩参数在测试结束，显示在测试结果界面。首先由中央处理单元发出陀螺电机起动信号，将控制信号传输给电机控制单元，电机控制单元电机驱动部分控制电机起动，当陀螺电机达到同步转速后，中央处理单元发出断电控制信号，将控制信号传输给电机控制单元，并同步触发高速计数器开始计数，电机控制单元接收中央处理单元传来的断电控制信号，将控制信号输出至电机驱动部分，控制陀螺电机的起动断电停转；由电压传感器单元测试陀螺电机在断电后的三相反电动势，生成三相正弦电压信号，传输给下位机的三相电压采集单元；三相电压采集单元将采集的三相正弦电压信号传输给电压比较单元；由电压比较单元将三相正弦电压信号与标准电压比较，判断该电压是否在高速数据采集单元的电压信号范围之内，将比较结果传输给信号调理单元；若信号调理单元集到的三相正弦电压信号在高速数据采集单元电压信号范围内，则不做处理，若不在，则做降压处理；并对电压信号范围内的三相正弦电压信号进行方波转换，变换成三相标准方波电压信号，将处理后的三相方波电压信号传输到滤波单元；当滤波单元接收的三相标准方波电压信号幅值不在滤波电压范围内时，将该信号直接传输到高速数据采集单元；当该方波电压信号幅值在有效滤波电压范围内时，进行滤波及差分放大处理，将电压幅值在(-1.25V，+1.25V)内的三相标准方波电压信号经过噪声滤除，电压幅值放大10倍，频率保持同步，生成三相同步方波电压信号，将三相同步方波电压信号传输到高速数据采集单元；高速数据采集单元接收滤波单元传来的三相标准方波电压信号和三相同步方波电压信号，由高精度计数器产生的方波计数信号分别进入高速数据采集单元内的计数使能端和高速模拟量采集端，将计数结果和过零信号传输给中央处理单元；中央处理单元接收高速数据采集单元传来的计数信号和过零采集信号，进行存储和反电动势半周期时间Tj计算，j＝1，2，3……q；Tj为每两个过零信号之间方波计数信号数值乘以计数器晶振的固有触发时间，将方波计数信号和时间周期Tj值经通信单元传输到上位机处理部分；上位机数据分析解算单元接收通信单元传来的反电动势半周期时间Tj，并通过以下计算原理可得到所需电机特性参数：包括触地阻力矩、触地时间、触地转速、惯性运转时间等。惯性运转时间、触地时间、触地转速和触地阻力矩参数计算方法如下：惯性运转时间T：T=Σj=1qTj,j=1,2,3......q,]]>单位s；其中，Tj为电机断电至转子停转过程反电动势半周期Tj，单位为s；q为马达断电至转子停转过程的三相反电势信号所有半周期数，即计数结果；断电惯性运转过程中相邻半周期的变化值ΔTj为：ΔTj＝Tj-Tj-1，j＝1，2，3……q，单位s；触地时间Tc：从外部陀螺电机断电到外部陀螺电机触地的时间，其中c为触地时刻电压半周期数，c为正整数，假定当q＝c时，判定为陀螺电机触地；Tc=Σj=1cTj,j=1,2,3......c,]]>单位s；触地转速判定：相邻半周期的变化值ΔTc需大于经验设定值δ，可求出c的值；ΔTc＝|Tc-Tc-1|>δ，单位s；实时转速n：n＝60/p(Tj+Tj-1)，单位rpm；触地转速nc：nc＝60/p(Tc+Tc-1)，单位rpm；转速波动△ωj：ωj＝π/Tj；Δωj＝π/Tj-π/Tj-1其中，p为电机极对数；ωj为电机旋转角速度，单位为rad/s；△ωj为旋转角速度变化量，单位为rad/s；旋转阻力矩M：为外部陀螺电机在断电后停转过程中所受的阻力矩总和；M=Jdωdt=JΔωj/ΔTj]]>触地阻力矩Mc：为Tc触地时刻的旋转阻力矩；Mc=Jdωdt=JΔωc/ΔTc]]>其中，J为外部陀螺电机转子转动惯量；△ωc为触地时刻陀螺电机旋转角速度变化量，单位为rad/s；如图2所示为反电势法波形转换原理图，由图可知，由电压传感器单元测试陀螺电机在断电后的三相反电动势，生成三相正弦电压信号，传输给下位机的三相电压采集单元；三相电压采集单元将采集的三相正弦电压信号传输给电压比较单元；由电压比较单元将三相正弦电压信号与标准电压比较，由于被测电机反向电动势电压跨度区间大，转速高，为此需要针对不同情况的电压调整其放大、缩小的倍数以达到符合AD测量的需求。通过使用高速可编程仪表放大器来实现电路的测量和信号调理工作，信号路径中有衰减和放大，需要差分输出来驱动高性能模数转换器，将一个可编程增益仪表放大器与一个全差分漏斗(衰减)放大器级联，可编程增益仪表放大器提供高差分输入阻抗和–110dB总谐波失真，可实现三相正弦电压信号的比较调整，将三相正弦电压信号调整到高速数据采集单元电压信号范围内。同时通过外部断电触发和内部正反电动势的波形变换来判断其断电的时刻，需要高速的外部中断判断处理器和高速的AD(速度为28Msps),即在一个1kHz频率内的波形在其一个周期内可以连续采样2333次，能非常迅速的判断其转换时间及波形变换转换斜率，将三相正弦电压信号同步转换为三相标准方波信号。计数信号是由高速数据采集单元选用时钟频率为200MHz的高精度计数器产生，利用倍频器可使时钟频率达到330M；通过带4路32位可叠加累积计数器，可计数的最大值为232，即最小可计数分辨的时间为0.003微秒，足以满足微秒级的分辨响应误差时间。测试开始时刻，中央处理单元同步触发高速计数器开始计数，并接收高速数据采集单元传来的计数信号和过零采集信号，全部进行存储，并计算反电动势半周期Tj，j＝1，2，3……q；Tj为每两个过零信号之间方波计数信号数值乘以计数器晶振的固有触发时间，将方波计数信号和反电动势半周期Tj经通信单元传输到上位机处理部分，通过公式ΔTc＝|Tc-Tc-1|>δ，当相邻半周期的变化值ΔTc大于经验设定值δ时，可实现陀螺电机触地时刻的判断。本发明的工作原理是：把动压电机的引出线按相序与电机电源对应相序可靠连接，同时把该测试仪也按对应相序接到电机引出线上。控制电机起动，待动压电机稳定到同步转速后，切断动压电机电源，从该断电时刻开始采集电机反电势的数据，直至电机停止转动为止。由高速数据采集单元采集反电动势元电压信号，传送到中央处理单元进行数据处理，将处理后的数据通过通信单元到上位机进行解算，得到需要的陀螺马达参数，包括实时转速、触地阻力矩、惯性运转时间、触地时间、触地转速。本发明与现有技术相比的优点在于：目前，动压陀螺电机特性参数的测量方法为在电机状态，通过功率计配合反作用力矩测试仪测量其机械特性。但当动压电机装入陀螺仪表或安装到惯性平台上后，只能通过采集陀螺电机的电压和电流来间接判断电机本体和动压轴承的好坏，而电机最为关键的气浮轴承力矩参数不能测量，导致陀螺电机从装入仪表、平台后到最终上弹使用没有对气浮轴承形成直接的量化评估。通过使用一种高速动压陀螺电机触地转速测试系统，仅需要把陀螺电机和电源之间的引出线接入该系统，通过对陀螺电机三相反电势信号的测量和计算，可以得到实时转速、触地阻力矩、惯性运转时间、触地时间、触地转速等特性参数，用来判断该动压电机和气浮轴承的状态，为仪表和惯性平台提供可靠的参考。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。