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CN108828258A - 一种提高飞轮电机测速精度的装置及方法 - Google Patents

一种提高飞轮电机测速精度的装置及方法 Download PDF

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CN108828258A CN201810398229.3A CN201810398229A CN108828258A CN 108828258 A CN108828258 A CN 108828258A CN 201810398229 A CN201810398229 A CN 201810398229A CN 108828258 A CN108828258 A CN 108828258A
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flywheel motor
flywheel
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周美丽
章家保
金光
朴永杰
张贵祥
徐伟
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    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42Devices characterised by the use of electric or magnetic means
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Abstract

一种提高飞轮电机测速精度的装置及方法,涉及卫星姿态控制部件技术领域,解决飞轮电机低速测量精度不高的缺点。包括飞轮电机、敏感面朝向飞轮电机转子的齿轮传感器、信号处理电路板、电源信号线、信号处理电路板安装支架和磁钢。采用齿轮传感器敏感飞轮电机转子轴外周齿轮旋转时齿顶和齿谷,输出的数字信号或模拟信号经过信号处理电路板处理得到标准方波信号,通过电源信号线送至飞轮电机控制器来获取飞轮电机角速度值信息。本发明在现有飞轮电机霍尔传感器测速的基础上,增加该测速装置,克服了飞轮电机低速测量精度不高的缺点,采用非接触式测量,不会对原有系统的结构和电子学造成负担,结构简单、安装便捷、体积小、重量轻、可靠性高。

Description

一种提高飞轮电机测速精度的装置及方法
技术领域
本发明涉及卫星姿态控制部件技术领域,具体涉及一种提高飞轮电机测速精度的装置及方法。
背景技术
卫星姿态控制飞轮系统通过控制飞轮转子的转速,利用自身角动量的变化调整卫星的姿态,具有可靠性高、控制精度高和功耗低等优点,是现代卫星姿态控制的关键执行机构。要提高卫星姿态控制精度,必须先提高飞轮系统的稳定度和精度,其中,提高飞轮电机的测速精度非常重要。
飞轮系统常采用直流无刷电机作为驱动电机,飞轮电机的控制系统常采用霍尔传感器测量转速,具有使用效率高、不容易受到污染、可靠性高、体积小、质量轻等优点。但是采用霍尔传感器测速,存在霍尔元件安装误差、定子线圈和转子磁极加工误差导致霍尔测速出现误差及飞轮电机低速时霍尔脉冲数量少带来的测速精度不高的问题。为了获得高分辨率,如果采用编码器或旋转变压器测量转速,存在体积大、系统复杂、价格高等问题无法应用在姿态控制飞轮系统中。
因此,需要一种可以提高姿态控制飞轮电机低速测量精度的装置。
发明内容
针对上述卫星姿态控制飞轮电机低速测量精度不高的缺点,本发明提供一种提高飞轮电机测速精度的装置及方法。在现有霍尔传感器的基础上增加该装置,既能保留飞轮电机霍尔传感器测速的优点,又能克服飞轮电机低速测量精度不高的缺点。该装置通过采用非接触式转动测定转动轴的位置来测定转速,方法简单、体积小、可靠性高、性价比高。
一种提高飞轮电机测速精度的装置,包括磁场感应面朝向飞轮电机转子的齿轮传感器、信号处理电路板、电源信号线、信号处理电路板安装支架和磁钢;飞轮电机包括飞轮电机定子和飞轮电机转子,飞轮电机转子轴外周均匀分布有齿顶和齿谷,齿轮的轮齿沿圆周方向均匀分布,轮齿的边线为径向方向,且与齿顶中点和齿轮的几何中心的连线平行;
所述齿轮传感器焊接在信号处理电路板上,磁钢通过绑线孔和高温环氧胶固定在信号处理电路板上,其位置是与齿轮传感器对称的反面;
信号处理电路板为齿轮传感器提供电源电路、后接信号处理电路及与飞轮电机控制器连接的对外接口电路;电源电路为信号处理电路板提供电源输入;
所述齿轮传感器的磁场感应方向与飞轮电机旋转方向一致,齿轮传感器能够感应飞轮电机转子轴外周齿轮旋转时齿顶和齿谷变化并输出数字信号或模拟信号;
齿轮传感器输出信号为数字信号时,后接信号处理电路将传感器输出的小电流脉冲信号转换成电压信号再经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,该数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数;
齿轮传感器输出信号为模拟信号时,后接信号处理电路将传感器输出的正弦或余弦电压信号经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,该数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数;
飞轮电机控制器连接的对外接口电路通过电源信号线接收飞轮电机控制器的电源输入及将处理后的齿轮传感器转速信号反馈至飞轮电机控制器,实现飞轮电机的测速。
一种提高飞轮电机测速精度的方法,该方法由以下步骤实现:
步骤一、飞轮电机控制器上电,并通过电源信号线给测速装置上电;
步骤二、所述飞轮电机控制器向飞轮发送速度指令0,测试飞轮控制系统通信是否正常;如果通信正常,执行步骤三,如果通信不正常,排查可能出现的问题,重复步骤二,直到通信正常;
步骤三、向飞轮发送速度指令,飞轮转子从0开始加速,带动飞轮电机转子轴外周沿齿轮旋转,所述齿轮传感器感应该齿轮的齿顶和齿谷变化,输出数字信号或模拟信号;
步骤四、信号处理电路将齿轮传感器输出的数字信号,即小电流脉冲信号转换成电压信号再经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,或者将齿轮传感器输出的模拟信号,即正弦或余弦电压信号经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,最后将数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数,实现飞轮电机测速。
本发明的有益效果:本发明使用齿轮传感器敏感飞轮电机转子轴外周齿轮旋转时齿顶和齿谷,输出的数字信号或模拟信号经过信号处理电路板处理得到标准方波信号,通过电源信号线送至飞轮电机控制器来获取飞轮电机角速度值信息。本发明在现有飞轮电机霍尔传感器测速的基础上,增加该测速装置,克服了飞轮电机低速测量精度不高的缺点,采用非接触式测量,不会对原有系统的结构和电子学造成负担,结构简单、安装便捷、体积小、重量轻、可靠性高、性价比高。
附图说明
图1为本发明所述的一种高精度飞轮电机测速装置的结构示意图;
图2为本发明所述的一种高精度飞轮电机测速装置中信号处理电路板的原理图;其中图2a为齿轮传感器输出数字信号的信号处理电路板原理图,图2b为齿轮传感器输出模拟信号的信号处理电路板原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式,一种提高飞轮电机测速精度的装置,包括飞轮电机1、磁场感应面朝向飞轮电机转子1-2的齿轮传感器2、信号处理电路板3、电源信号线4、信号处理电路板安装支架5和磁钢6。
所述飞轮电机1包括飞轮电机定子1-1和飞轮电机转子1-2,飞轮电机转子轴外周沿上均匀分布有齿顶1-3和齿谷1-4。飞轮电机转子为铁磁材料。齿轮的轮齿沿圆周方向均匀分布,轮齿的边线为径向方向,且与齿顶中点和齿轮的几何中心的连线平行。某飞轮直流无刷电机转子外径为35mm,定子外径为25mm。设计齿高为5mm,齿数为100,相邻两轮齿同侧夹角为3.6°,此夹角亦为探针所检测的最小分度角,即分辨力。所述飞轮电机1为外转子直流无刷电机。
所述齿轮传感器2能够感应飞轮电机转子轴外周齿轮旋转时齿顶1-3和齿谷1-4变化并输出数字信号或模拟信号,其中数字信号为TTL信号,模拟信号为正弦信号或余弦信号。
所述齿轮传感器2焊接在信号处理电路板3上,其磁场感应面靠近飞轮电机转子轴外周齿轮齿顶,间距为2mm~3.5mm,且磁场感应面垂线与电机轴垂直,并通过电机轴线。根据是否需要测量转向选择双通道或单通道形式,其中单通道形式不能测量转向。齿轮传感器2的磁场感应方向与电机旋转方向保持一致。
所述信号处理电路板3为齿轮传感器2提供电源电路3-1、后接信号处理电路3-2及与飞轮电机控制器连接的对外接口电路3-3。信号处理电路板3尺寸取决于飞轮外壳内壁到转轴齿轮的距离和电路板上布局布线的面积,该装置电路板厚度为1.5mm。信号处理电路板3上焊接齿轮传感器2的相反位置处,两侧均分布有两个安装孔,用于将其固定到安装支架上,安装孔径大小为2.5mm。
电源电路3-1为信号处理电路板3提供电源输入。输出信号为数字信号的齿轮传感器2,后接信号处理电路3-2将传感器输出的小电流脉冲信号转换成电压信号再经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,该数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数;
输出信号为模拟信号的齿轮传感器2,后接信号处理电路3-2将传感器输出的正弦或余弦电压信号经过信号放大电路和电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,该数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数。
飞轮电机控制器连接的对外接口电路3-3通过电源信号线4接收飞轮电机控制器的电源输入及将处理后的齿轮传感器2转速信号反馈给飞轮电机控制器。信号处理电路板安装支架5将所述信号处理电路板3固定在外壳内壁,具体为使用螺钉和螺母通过安装孔将所述信号处理电路板3固定在两个对称的L型挡板中间,并使用D04胶固封。
所述磁钢6通过绑线孔和高温环氧胶固定在信号处理电路板3上,其位置是与齿轮传感器2对称的反面,注意避免绑线孔及绑线的位置与齿轮传感器2形成干涉。磁钢磁场大小为100mT,磁极朝向齿轮传感器磁场感应面。。
具体实施方式二、本实施方式为采用具体实施方式一所述的一种提高飞轮电机测速精度的装置的方法,该方法由以下步骤实现:
步骤一、检查线路连接,给飞轮电机控制器上电,并通过电源信号线给测速装置上电;
步骤二、检查线路连接,向所述飞轮电机控制器向飞轮发送速度指令0,测试飞轮控制系统通信是否正常;如果飞轮控制系统返回测试应答帧,则表明通信正常,执行步骤三,如果飞轮控制系统没有返回测试应答帧,则表明通信不正常,排查可能出现的故障如测试指令是否正确、线路接触不良、断线等,重复步骤二,直到通信正常;
步骤三、向飞轮发送速度指令,飞轮转子从0开始加速,带动飞轮电机转子轴外周沿齿轮旋转,所述齿轮传感器感应该齿轮的齿顶和齿谷变化,输出数字信号或模拟信号;
步骤四、信号处理电路将齿轮传感器输出的数字信号,即小电流脉冲信号转换成电压信号再经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,或者将齿轮传感器输出的模拟信号,即正弦或余弦电压信号经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,最后将数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数,实现飞轮电机测速;
步骤五:对本测速装置的测速精度进行计算。
本实施方式述的测速方式,提高精度计算以该100齿齿轮为例,采用霍尔传感器测速,极对数为8时,飞轮电机转过一圈,单相输出8个霍尔脉冲,而齿轮传感器输出100个脉冲,精度至少提高4倍。

Claims (6)

1.一种提高飞轮电机测速精度的装置,包括磁场感应面朝向飞轮电机转子的齿轮传感器(2)、信号处理电路板(3)、电源信号线(4)和磁钢(6);飞轮电机(1)包括飞轮电机定子(1-1)和飞轮电机转子(1-2),飞轮电机转子轴外周均匀分布有齿顶(1-3)和齿谷(1-4),其特征是,齿轮的轮齿沿圆周方向均匀分布,轮齿的边线为径向方向,且与齿顶中点和齿轮的几何中心的连线平行;
所述齿轮传感器(2)焊接在信号处理电路板(3)上,磁钢(6)通过绑线孔和高温环氧胶固定在信号处理电路板(3)上,其位置是与齿轮传感器(2)对称的反面;
信号处理电路板(3)为齿轮传感器(2)提供电源电路、后接信号处理电路及与飞轮电机控制器连接的对外接口电路;电源电路为信号处理电路板提供电源输入;
所述齿轮传感器(2)的磁场感应方向与飞轮电机旋转方向一致,齿轮传感器(2)能够感应飞轮电机转子轴外周齿轮旋转时齿顶和齿谷变化并输出数字信号或模拟信号;
齿轮传感器输出信号为数字信号时,后接信号处理电路将传感器输出的小电流脉冲信号转换成电压信号再经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,该数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数;
齿轮传感器输出信号为模拟信号时,后接信号处理电路将传感器输出的正弦或余弦电压信号经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,该数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数;
飞轮电机控制器连接的对外接口电路通过电源信号线(4)接收飞轮电机控制器的电源输入及将处理后的齿轮传感器(2)转速信号反馈至飞轮电机控制器,实现飞轮电机的测速。
2.根据权利要求1所述的一种高精度飞轮电机测速装置,其特征在于,所述齿轮传感器(2)的磁场感应面靠近飞轮电机转子轴外周齿轮齿顶,间距为2mm-3.5mm,且磁场感应面垂线与电机轴垂直并通过电机轴线。
3.根据权利要求1所述的一种高精度飞轮电机测速装置,其特征在于,信号处理电路板(3)的尺寸取决于飞轮电机外壳内壁到飞轮电机转轴齿轮的距离和电路板上布局布线的面积,厚度为1.5mm;
在所述信号处理电路板(3)上焊接齿轮传感器(2)的相反位置处,两侧均分布有两个安装孔,安装孔径大小为2.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种高精度飞轮电机测速装置,其特征在于,还包括信号处理电路板安装支架(5),将所述信号处理电路板(3)固定在外壳内壁,具体为采用螺钉和螺母通过安装孔将所述信号处理电路板(3)固定在两个对称的L型挡板上,并使用D04胶固封。
5.根据权利要求1所述的一种高精度飞轮电机测速装置,其特征在于,所述飞轮电机(1)为外转子直流无刷电机。
6.根据权利要求1所述的一种提高飞轮电机测速精度的装置的方法,其特征是,该方法由以下步骤实现:
步骤一、飞轮电机控制器上电,并通过电源信号线给测速装置上电;
步骤二、所述飞轮电机控制器向飞轮发送速度指令0,测试飞轮控制系统通信是否正常;如果通信正常,执行步骤三,如果通信不正常,排查可能出现的问题,重复步骤二,直到通信正常;
步骤三、向飞轮发送速度指令,飞轮转子从0开始加速,带动飞轮电机转子轴外周沿齿轮旋转,所述齿轮传感器感应该齿轮的齿顶和齿谷变化,输出数字信号或模拟信号;
步骤四、信号处理电路将齿轮传感器输出的数字信号,即小电流脉冲信号转换成电压信号再经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,或者将齿轮传感器输出的模拟信号,即正弦或余弦电压信号经过信号放大电压比较电路处理后输出电压幅值为电源电压的数字脉冲信号,最后将数字脉冲信号与飞轮电机控制器的输入引脚相连,进行脉冲计数,实现飞轮电机测速。
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