關(guān)于動(dòng)量輪控制器自動(dòng)測(cè)試和可靠性篩選系統(tǒng)的研究

王曉忠（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫，214028）

關(guān)于動(dòng)量輪控制器自動(dòng)測(cè)試和可靠性篩選系統(tǒng)的研究

王曉忠
（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫，214028）

應(yīng)某研究所的要求，制作某系列衛(wèi)星的動(dòng)量輪控制器自動(dòng)測(cè)試和可靠性篩選系統(tǒng)，無(wú)人狀態(tài)下自動(dòng)記錄動(dòng)量輪運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，完成動(dòng)量輪控制器可靠性的測(cè)試，識(shí)別動(dòng)量輪控制器電路板的早期失效，對(duì)動(dòng)量輪控制器電路存在的故障進(jìn)行判斷，大幅度提高測(cè)試效率（約提高15倍），降低由于人工測(cè)試引起的過失誤差、操作誤差和主觀誤差等人為誤差。

動(dòng)量輪；可靠性；自動(dòng)測(cè)試；效率

0 引言

國(guó)家某系列衛(wèi)星的動(dòng)量輪控制器缺乏電路板調(diào)試使用的自動(dòng)測(cè)試和可靠性篩選系統(tǒng)。目前，各研究所及企業(yè)依然靠人工對(duì)動(dòng)量輪控制器電路板進(jìn)行調(diào)試及測(cè)試，這樣針對(duì)多臺(tái)產(chǎn)品需要分批進(jìn)行試驗(yàn)，在控制器測(cè)試的科學(xué)性、可靠性和效率上都比較落后，嚴(yán)重制約了動(dòng)量輪控制器的產(chǎn)量提升，在調(diào)試和試驗(yàn)后期給動(dòng)量輪測(cè)試數(shù)據(jù)的處理也帶來(lái)了極大的不便。

1 動(dòng)量輪工作原理

衛(wèi)星控制系統(tǒng)可以利用力矩模式使飛輪加速、減速，而加、減速所產(chǎn)生的反作用力矩可以調(diào)整衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。通過對(duì)動(dòng)量輪的控制，從而改變其角動(dòng)量，根據(jù)動(dòng)量守恒原理可以精確地控制衛(wèi)星的姿態(tài)。設(shè)衛(wèi)星本體的角動(dòng)量為HB，其絕對(duì)角速度為ωB，動(dòng)量輪的總角動(dòng)量為HW，它相對(duì)于衛(wèi)星本體的角速度為ωr，則整星的角動(dòng)量H為：

根據(jù)角動(dòng)量定理，

當(dāng)外力矩為零（T=0）時(shí)，得：

式（5）右端3項(xiàng)便是動(dòng)量輪對(duì)星體的反作用力矩，其中第1項(xiàng)是動(dòng)量輪角動(dòng)量大小的變化而產(chǎn)生的反作用力矩；第2項(xiàng)是由于星體的轉(zhuǎn)動(dòng)引起角動(dòng)量矢量的方向改變而產(chǎn)生的作用于星體上的陀螺力矩；第3項(xiàng)是動(dòng)量輪相對(duì)于星體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)，引起角動(dòng)量的方位變化而產(chǎn)生的陀螺反作用力矩。第1項(xiàng)和第3項(xiàng)兩項(xiàng)是動(dòng)量輪施加于星體的控制力矩。

動(dòng)量輪保證電機(jī)在四象限運(yùn)行時(shí)電機(jī)輸出力矩的平穩(wěn)性。動(dòng)量輪在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)、能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)過渡過程中要求電機(jī)輸出力矩穩(wěn)定，波動(dòng)范圍要符合一定的要求。根據(jù)動(dòng)量輪的工作特點(diǎn)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要功能為對(duì)動(dòng)量輪控制器的工作電壓、電流、返回信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)、分析，把不符合的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，研究所與企業(yè)可以根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整、維修和改進(jìn)。

2 測(cè)試系統(tǒng)工作原理框圖

圖1 測(cè)試系統(tǒng)整體框圖

測(cè)試系統(tǒng)提供動(dòng)量輪測(cè)試的模擬負(fù)載和模擬上位機(jī)，讓動(dòng)量輪處在一個(gè)人為提供的模擬實(shí)際工作的狀態(tài)，使得對(duì)于動(dòng)量輪的測(cè)試數(shù)據(jù)較為真實(shí)的反映出它的實(shí)際工作組態(tài)。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析，如有需要就根據(jù)要求顯示或者打印輸出。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)動(dòng)量輪控制器中某些重要的器件和線路時(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行采集分析，測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

因測(cè)試系統(tǒng)需要把測(cè)試完的有關(guān)數(shù)據(jù)生成報(bào)表、打印輸出，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用工控機(jī)+數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集控制數(shù)據(jù)，對(duì)于底層信號(hào)的轉(zhuǎn)接用STM32+TTL等芯片構(gòu)成。測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于模塊化設(shè)計(jì)，各部分功能獨(dú)立、配置靈活，采用降額配置。測(cè)試系統(tǒng)各功能模塊間的關(guān)系如下圖2所示：

圖2 各功能模塊間關(guān)系

圖3 動(dòng)量輪工作原理圖

工控機(jī)對(duì)動(dòng)量輪發(fā)送控制指令和檢測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)于時(shí)序要求比較嚴(yán)格的數(shù)據(jù)和并口數(shù)據(jù)，由工控機(jī)控制單片機(jī)和動(dòng)量輪控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，單片機(jī)處理后用串口把處理結(jié)果發(fā)送到工控機(jī)；在整個(gè)測(cè)試過程中，動(dòng)量輪都在工控機(jī)的監(jiān)控下進(jìn)行動(dòng)作，從而完成數(shù)據(jù)測(cè)試、分析和顯示。監(jiān)測(cè)過程中，工控機(jī)主要采集控制器的電流、電壓信號(hào)和工作狀態(tài)信號(hào)，一些信號(hào)用數(shù)字顯示，一些信號(hào)用波形顯示，便于技術(shù)人員觀察和分析。根據(jù)動(dòng)量輪工作原理圖，如下圖3所示，工控機(jī)在一定的時(shí)間發(fā)送動(dòng)量輪所需的控制信號(hào)，如方向指令，力矩指令，開指令，關(guān)指令等信號(hào)。在動(dòng)量輪通電開始到結(jié)束，工控機(jī)不斷的采集動(dòng)量輪組件發(fā)出的電機(jī)電壓，電機(jī)電流轉(zhuǎn)速信號(hào)，開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)包括動(dòng)量輪內(nèi)部各主要模塊信號(hào)如：指令輸入信號(hào)，電流內(nèi)部采樣信號(hào)，力矩方向變換信號(hào)等等。連續(xù)記錄動(dòng)量輪有關(guān)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)不同就會(huì)發(fā)出報(bào)警。同時(shí)在下一個(gè)周期內(nèi)重新測(cè)試，如再次發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則報(bào)警并退出有關(guān)測(cè)試，同時(shí)關(guān)閉供電電源；等待工作人員的檢修。在整個(gè)測(cè)試過程中，所有數(shù)據(jù)都保存在指定的地方，方便技術(shù)人員進(jìn)行查詢。

3.1 數(shù)據(jù)采集卡輸出信號(hào)

為了采集動(dòng)量輪返回的數(shù)據(jù)，需要在指定的時(shí)間給動(dòng)量輪發(fā)送控制信號(hào)，由工控機(jī)控制板卡進(jìn)行TTL信號(hào)的發(fā)送。

圖4 緩存電路輸出

數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號(hào)用74HC245緩存一下，然后送給動(dòng)量輪。對(duì)于74HC245不用的輸入端接5K的電阻接地。74HC245輸出端接300歐姆的電阻送入動(dòng)量輪的輸入端子，如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集卡輸入信號(hào)

數(shù)據(jù)采集卡輸入的信號(hào)就是動(dòng)量輪輸出的信號(hào)，采集到相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過處理，一部分信號(hào)轉(zhuǎn)換為波形形式，另外一部分直接轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式儲(chǔ)存起來(lái)，方便查閱。

動(dòng)量輪輸出的信號(hào)經(jīng)過電阻分壓后，由放大倍數(shù)為1的運(yùn)放器處理后送入數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集經(jīng)過處理后，儲(chǔ)存并顯示輸出，如圖5所示。

3.3 單片機(jī)控制板

單片機(jī)控制板用來(lái)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)，然后和動(dòng)量輪進(jìn)行握手，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。STM32核心板外加串口和電平驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成單片機(jī)控制板，通過串口接受上位機(jī)的命令，然后和動(dòng)量輪進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于時(shí)序要求比較嚴(yán)的信號(hào)或者需要多I/O口并行的數(shù)據(jù)可以用單片機(jī)控制板來(lái)設(shè)計(jì)。在單片機(jī)控制板上加裝一個(gè)OLED液晶，把部分監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在液晶上，方便操作人員調(diào)試。

3.4 三相脈沖驅(qū)動(dòng)電路

三相脈沖驅(qū)動(dòng)電路是測(cè)試設(shè)備給動(dòng)量輪的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，要求脈沖頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，驅(qū)動(dòng)電路及三相脈沖波形如下圖6所示：

脈沖波形（如圖7所示）采用AD9850專用芯片發(fā)出，用74系列芯片搭成可輸出三相互差120度的方波驅(qū)動(dòng)動(dòng)量輪。

3.5 工控機(jī)和動(dòng)量輪電路板通訊

圖5 采集電路輸入

圖6 三相脈沖驅(qū)動(dòng)電路

圖7 三相脈沖波形

圖8 信號(hào)模擬切換電路

動(dòng)量輪有許多信號(hào)需要通過多個(gè)RS422口發(fā)出，測(cè)試系統(tǒng)需要接收這些信號(hào)進(jìn)行分析。這些多串口通過模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換后接到工控機(jī)RS422口。在滿足時(shí)序的情況下，可以方便的接收動(dòng)量輪傳輸過來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以發(fā)送命令到動(dòng)量輪，方便測(cè)試系統(tǒng)對(duì)動(dòng)量輪進(jìn)行全局的把握，信號(hào)模擬切換電路如圖8所示。

3.6 PCI板卡接

PCI接口模塊主要完成PCI總線控制，通過分析選擇AD Link公司的DAQ-2205信號(hào)采集卡，其具有64通道單極性輸入和32通道雙極性模擬量輸入，最大采樣速率為500KS/s，分辨率為16位；2通道模擬量輸出，最大刷新速率為1MS/s，分辨率為12位；FIFO緩沖區(qū)大小為512/雙通道或1024/單通道，DMA輸出電壓為0-10V或±10V，轉(zhuǎn)換速率為20V/μs。由于其強(qiáng)大的功能，完全能滿足動(dòng)量輪測(cè)試的條件。

4 控制軟件

控制軟件采用VB編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)量輪自動(dòng)性能測(cè)試，方便的人機(jī)界面根據(jù)用戶的不同測(cè)試需要，可以選擇某一項(xiàng)流程或全自動(dòng)測(cè)試流程。每一項(xiàng)測(cè)試流程，系統(tǒng)都可以自動(dòng)保存測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)束后可以打印報(bào)表、上傳數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式可以通過Word、Excel、PDF等格式輸出，控制軟件整體功能架構(gòu)如圖9所示：

圖9 軟件功能架構(gòu)圖

4.1 權(quán)限管理

控制軟件具有分級(jí)權(quán)限管理功能，需要輸入用戶名和密碼、登錄系統(tǒng)才可以啟動(dòng)。系統(tǒng)根據(jù)登錄者權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)操作并保存登錄者信息與操作信息。

4.2 系統(tǒng)管理

軟件可以設(shè)定測(cè)試結(jié)果報(bào)警閥值等。由于動(dòng)量輪控制電路板的測(cè)試周期較長(zhǎng)，為了方便監(jiān)測(cè)人員及時(shí)了解異常信息，在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)各種異常情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒監(jiān)測(cè)人員快速進(jìn)行人工干預(yù)和處理。

4.3 數(shù)據(jù)查詢

可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析，分析結(jié)果可顯示、打印、保存，導(dǎo)出成相應(yīng)格式。

4.4 主測(cè)平臺(tái)

主測(cè)平臺(tái)可以對(duì)動(dòng)量輪具體的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成后，把數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)出成相應(yīng)的格式，方便用戶查詢、打印，主測(cè)某一部分流程圖如圖10所示。

圖10 動(dòng)量輪測(cè)試流程

5 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試動(dòng)量輪的時(shí)候要模擬動(dòng)量輪的負(fù)載和動(dòng)量輪的上位機(jī)，測(cè)試過程中才能把動(dòng)量輪的參數(shù)全部檢測(cè)到。測(cè)試系統(tǒng)還可以對(duì)動(dòng)量輪電路板一些關(guān)鍵點(diǎn)引出電纜線，對(duì)其單獨(dú)進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試，通過工控機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和波形顯示能力，在測(cè)試過程中如果有什么波動(dòng)或者故障都能在顯示器中顯示出來(lái)，電腦對(duì)其中有問題的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并在報(bào)表中顯示出來(lái)，自動(dòng)生成這些數(shù)據(jù)的分析、判斷報(bào)表，完成對(duì)動(dòng)量輪的自動(dòng)測(cè)試。

本測(cè)試系統(tǒng)通過一年多的運(yùn)行，用于多種衛(wèi)星動(dòng)量輪自動(dòng)測(cè)試和可靠性篩選，運(yùn)行情況良好，將測(cè)試效率提高了15倍以上。

［1］郭永東，盧靖華.飛輪制動(dòng)切換研究［J］.微特電機(jī)，1998.3.

［2］王有波，戴金海.力矩模式飛輪控制器技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)［C］.全國(guó)第十二屆空間及運(yùn)動(dòng)體控制技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文，2008：522-527.

［3］劉納.動(dòng)量輪組件測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)［J］.控制工程，2006.4.

［4］林言，劉文定.基于PXI的多功能卡在衛(wèi)星測(cè)試系統(tǒng)中的研究［J］.控制技術(shù)，2012.12.

［5］孫曉楓，于錫武等.一種高穩(wěn)定速度模式動(dòng)量輪的控制系統(tǒng)［J］.控制工程，2004.2.

［6］高慶嘉，白越等.姿控飛輪用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)與分析［J］.特種電機(jī)，2009.10.

王曉忠，男，（1981-），碩士，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：控制工程。

Research on an Automatic Test and Reliability Screening System of the Momentum Wheel Controller

Wang Xiaozhong
（Jiangsu Union Technical Institute，Jiangsu Wuxi，214028）

Upon the request of a certain research institute，the author makes an automatic test and reliability screening system of the momentum wheel controller of some series of satellites.The system is expected to record the related data about the momentum wheel's operation automatically，complete the reliability test on the momentum wheel controller，identify the initial failure of its circuit board and judge the fault of the board in order to improve the test efficiency greatly （about 15 times），and reduce the errors caused by manual test，such as gross errors，operation errors and subjective errors，etc.

momentum wheel；reliability；automatic detection