关于动量轮控制器自动测试和可靠性筛选系统的研究

王晓忠

（江苏联合职业技术学院，无锡,214028）

摘要：应某研究所的要求，制作某系列卫星的动量轮控制器自动测试和可靠性筛选系统，无人状态下自动记录动量轮运行相关数据，完成动量轮控制器可靠性的测试，识别动量轮控制器电路板的早期失效，对动量轮控制器电路存在的故障进行判断，大幅度提高测试效率（约提高15 倍），降低由于人工测试引起的过失误差、操作误差和主观误差等人为误差。

关键词：动量轮; 可靠性; 自动测试; 效率

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

Wang Xiaozhong

(Jiangsu Union Technical Institute,Jiangsu Wuxi,214028)

Abstract ：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.

Keywords ：momentum wheel ；reliability ；automatic detection

0 引言

国家某系列卫星的动量轮控制器缺乏电路板调试使用的自动测试和可靠性筛选系统。目前，各研究所及企业依然靠人工对动量轮控制器电路板进行调试及测试，这样针对多台产品需要分批进行试验，在控制器测试的科学性、可靠性和效率上都比较落后，严重制约了动量轮控制器的产量提升，在调试和试验后期给动量轮测试数据的处理也带来了极大的不便。

1 动量轮工作原理

卫星控制系统可以利用力矩模式使飞轮加速、减速，而加、减速所产生的反作用力矩可以调整卫星的运动姿态。通过对动量轮的控制，从而改变其角动量，根据动量守恒原理可以精确地控制卫星的姿态。设卫星本体的角动量为HB, 其绝对角速度为ωB, 动量轮的总角动量为HW, 它相对于卫星本体的角速度为ωr，则整星的角动量H 为：

(1)

根据角动量定理，

(2)

式中，T 为外力矩；为HW 相对于卫星本体坐标系的微商。

(3)

式中， 为相对于固连于动量轮坐标系的微商，将式（3）代入式（2）得：

(4)

当外力矩为零（T=0）时，得：

(5)

式（5）右端3 项便是动量轮对星体的反作用力矩，其中第1 项是动量轮角动量大小的变化而产生的反作用力矩；第2 项是由于星体的转动引起角动量矢量的方向改变而产生的作用于星体上的陀螺力矩；第3 项是动量轮相对于星体坐标系转动，引起角动量的方位变化而产生的陀螺反作用力矩。第1 项和第3 项两项是动量轮施加于星体的控制力矩。

动量轮保证电机在四象限运行时电机输出力矩的平稳性。动量轮在全转速范围内大电流进行驱动/ 制动、能耗制动和反接制动过渡过程中要求电机输出力矩稳定，波动范围要符合一定的要求。根据动量轮的工作特点，自动测试系统主要功能为对动量轮控制器的工作电压、电流、返回信号和驱动信号等进行监测，记录数据并与标准值进行比对、分析，把不符合的数据进行输出，研究所与企业可以根据测试系统提供的数据对产品进行调整、维修和改进。

2 测试系统工作原理框图

测试系统提供动量轮测试的模拟负载和模拟上位机，让动量

图1 测试系统整体框图31

理论与算法

2016.10

轮处在一个人为提供的模拟实际工作的状态，使得对于动量轮的测试数据较为真实的反映出它的实际工作组态。自动测试系统对数据进行采集，分析，如有需要就根据要求显示或者打印输出。测试系统对动量轮控制器中某些重要的器件和线路时时进行监测，通过数据接口进行采集分析，测试系统整体架构如图1 所示。

3 硬件实现

因测试系统需要把测试完的有关数据生成报表、打印输出，所以系统设计时采用工控机+ 数据采集卡来采集控制数据，对于底层信号的转接用STM32+TTL 等芯片构成。测试系统内部结构基于模块化设计，各部分功能独立、配置灵活，采用降额配置。测试系统各功能模块间的关系如下图2 所示：

图2 各功能模块间关系

工控机对动量轮发送控制指令和检测数据；对于时序要求比较严格的数据和并口数据，由工控机控制单片机和动量轮控制器进行数据交换，单片机处理后用串口把处理结果发送到工控机；在整个测试过程中，动量轮都在工控机的监控下进行动作，从而完成数据测试、分析和显示。监测过程中，工控机主要采集控制器的电流、电压信号和工作状态信号，一些信号用数字显示，一些信号用波形显示，便于技术人员观察和分析。根据动量轮工作原理图, 如下图3 所示, 工控机在一定的时间发送动量轮所需的控制信号，如方向指令，力矩指令，开指令，关指令等信号。在动量轮通电开始到结束，工控机不断的采集动量轮组件发出的电机电压，电机电流转速信号，开关状态信号，同时包括动量轮内部各主要模块信号如：指令输入信号，电流内部采样信号，力矩方向变换信号等等。连续记录动量轮有关数据，一旦发现采集到的数据与预先设置的数据不同就会发出报警。同时在下一个周期内重新测试，如再次发现错误，则报警并退出有关测试，同时关闭供电电源；等待工作人员的检修。在整个测试过程中，所有数据都保存在指定的地方，方便技术人员进行查询。

3.1 数据采集卡输出信号

为了采集动量轮返回的数据，需要在指定的时间给动量轮发送控制信号，由工控机控制板卡进行TTL 信号的发送。

图4 缓存电路输出

数据采集卡输出的信号用74HC245 缓存一下，然后送给动量轮。对于74HC245 不用的输入端接5K 的电阻接地。74HC245 输出端接300 欧姆的电阻送入动量轮的输入端子，如图4 所示。

3.2 数据采集卡输入信号

数据采集卡输入的信号就是动量轮输出的信号，采集到相关数据后，经过处理，一部分信号转换为波形形式，另外一部分直接转换为数据形式储存起来，方便查阅。

动量轮输出的信号经过电阻分压后，由放大倍数为1 的运放器处理后送入数据采集卡，数据采集卡采集经过处理后，储存并显示输出，如图5 所示。

3.3 单片机控制板

单片机控制板用来接收上位机发来的信号，然后和动量轮进行握手，进行数据的传输。STM32 核心板外加串口和电平驱动电路等构成单片机控制板，通过串口接受上位机的命令，然后和动量轮进行数据传输，对于时序要求比较严的信号或者需要多I/O

图3 动量轮工作原理图32

理论与算法

2016.10

口并行的数据可以用单片机控制板来设计。在单片机控制板上加装一个OLED 液晶，把部分监测到的数据显示在液晶上，方便操作人员调试。

3.4 三相脉冲驱动电路

三相脉冲驱动电路是测试设备给动量轮的驱动信号，要求脉冲频率在一定范围内可调，驱动电路及三相脉冲波形如下图6 所示：

脉冲波形（如图7 所示）采用AD9850 专用芯片发出，用74 系列芯片搭成可输出三相互差120 度的方波驱动动量轮。

3.5 工控机和动量轮电路板通讯

动量轮有许多信号需要通过多个RS422 口发出，测试系统需

图7 三相脉冲波形

图5 采集电路输入

图6 三相脉冲驱动电路

图 8 信号模拟切换电路33

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