王曉忠（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院，無錫，214028）

關(guān)于動量輪控制器自動測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)學院，無錫，214028）

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

動量輪；可靠性；自動測試；效率

0 引言

國家某系列衛(wèi)星的動量輪控制器缺乏電路板調(diào)試使用的自動測試和可靠性篩選系統(tǒng)。目前，各研究所及企業(yè)依然靠人工對動量輪控制器電路板進行調(diào)試及測試，這樣針對多臺產(chǎn)品需要分批進行試驗，在控制器測試的科學性、可靠性和效率上都比較落后，嚴重制約了動量輪控制器的產(chǎn)量提升，在調(diào)試和試驗后期給動量輪測試數(shù)據(jù)的處理也帶來了極大的不便。

1 動量輪工作原理

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)星的運動姿態(tài)。通過對動量輪的控制，從而改變其角動量，根據(jù)動量守恒原理可以精確地控制衛(wèi)星的姿態(tài)。設(shè)衛(wèi)星本體的角動量為HB，其絕對角速度為ωB，動量輪的總角動量為HW，它相對于衛(wèi)星本體的角速度為ωr，則整星的角動量H為：

根據(jù)角動量定理，

當外力矩為零（T=0）時，得：

式（5）右端3項便是動量輪對星體的反作用力矩，其中第1項是動量輪角動量大小的變化而產(chǎn)生的反作用力矩；第2項是由于星體的轉(zhuǎn)動引起角動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項是動量輪相對于星體坐標系轉(zhuǎn)動，引起角動量的方位變化而產(chǎn)生的陀螺反作用力矩。第1項和第3項兩項是動量輪施加于星體的控制力矩。

動量輪保證電機在四象限運行時電機輸出力矩的平穩(wěn)性。動量輪在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大電流進行驅(qū)動/制動、能耗制動和反接制動過渡過程中要求電機輸出力矩穩(wěn)定，波動范圍要符合一定的要求。根據(jù)動量輪的工作特點，自動測試系統(tǒng)主要功能為對動量輪控制器的工作電壓、電流、返回信號和驅(qū)動信號等進行監(jiān)測，記錄數(shù)據(jù)并與標準值進行比對、分析，把不符合的數(shù)據(jù)進行輸出，研究所與企業(yè)可以根據(jù)測試系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行調(diào)整、維修和改進。

2 測試系統(tǒng)工作原理框圖

圖1 測試系統(tǒng)整體框圖

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

3 硬件實現(xiàn)

因測試系統(tǒng)需要把測試完的有關(guān)數(shù)據(jù)生成報表、打印輸出，所以系統(tǒng)設(shè)計時采用工控機+數(shù)據(jù)采集卡來采集控制數(shù)據(jù)，對于底層信號的轉(zhuǎn)接用STM32+TTL等芯片構(gòu)成。測試系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于模塊化設(shè)計，各部分功能獨立、配置靈活，采用降額配置。測試系統(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 動量輪工作原理圖

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

3.1 數(shù)據(jù)采集卡輸出信號

為了采集動量輪返回的數(shù)據(jù)，需要在指定的時間給動量輪發(fā)送控制信號，由工控機控制板卡進行TTL信號的發(fā)送。

圖4 緩存電路輸出

數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號用74HC245緩存一下，然后送給動量輪。對于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

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

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

3.3 單片機控制板

單片機控制板用來接收上位機發(fā)來的信號，然后和動量輪進行握手，進行數(shù)據(jù)的傳輸。STM32核心板外加串口和電平驅(qū)動電路等構(gòu)成單片機控制板，通過串口接受上位機的命令，然后和動量輪進行數(shù)據(jù)傳輸，對于時序要求比較嚴的信號或者需要多I/O口并行的數(shù)據(jù)可以用單片機控制板來設(shè)計。在單片機控制板上加裝一個OLED液晶，把部分監(jiān)測到的數(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)動電路

三相脈沖驅(qū)動電路是測試設(shè)備給動量輪的驅(qū)動信號，要求脈沖頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，驅(qū)動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)動動量輪。

3.5 工控機和動量輪電路板通訊

圖5 采集電路輸入

圖6 三相脈沖驅(qū)動電路

圖7 三相脈沖波形

圖8 信號模擬切換電路

動量輪有許多信號需要通過多個RS422口發(fā)出，測試系統(tǒng)需要接收這些信號進行分析。這些多串口通過模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換后接到工控機RS422口。在滿足時序的情況下，可以方便的接收動量輪傳輸過來的數(shù)據(jù)，同時也可以發(fā)送命令到動量輪，方便測試系統(tǒng)對動量輪進行全局的把握，信號模擬切換電路如圖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。由于其強大的功能，完全能滿足動量輪測試的條件。

4 控制軟件

控制軟件采用VB編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)動量輪自動性能測試，方便的人機界面根據(jù)用戶的不同測試需要，可以選擇某一項流程或全自動測試流程。每一項測試流程，系統(tǒng)都可以自動保存測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)束后可以打印報表、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。系統(tǒng)根據(jù)登錄者權(quán)限進行相應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)定測試結(jié)果報警閥值等。由于動量輪控制電路板的測試周期較長，為了方便監(jiān)測人員及時了解異常信息，在測試過程中發(fā)現(xiàn)各種異常情況時，系統(tǒng)自動報警，提醒監(jiān)測人員快速進行人工干預和處理。

4.3 數(shù)據(jù)查詢

可對數(shù)據(jù)進行相應分析，分析結(jié)果可顯示、打印、保存，導出成相應格式。

4.4 主測平臺

主測平臺可以對動量輪具體的參數(shù)進行測試，測試完成后，把數(shù)據(jù)保存并導出成相應的格式，方便用戶查詢、打印，主測某一部分流程圖如圖10所示。

圖10 動量輪測試流程

5 結(jié)束語

測試系統(tǒng)在測試動量輪的時候要模擬動量輪的負載和動量輪的上位機，測試過程中才能把動量輪的參數(shù)全部檢測到。測試系統(tǒng)還可以對動量輪電路板一些關(guān)鍵點引出電纜線，對其單獨進行監(jiān)控測試，通過工控機強大的數(shù)據(jù)分析能力和波形顯示能力，在測試過程中如果有什么波動或者故障都能在顯示器中顯示出來，電腦對其中有問題的參數(shù)進行自動識別并在報表中顯示出來，自動生成這些數(shù)據(jù)的分析、判斷報表，完成對動量輪的自動測試。

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

［1］郭永東，盧靖華.飛輪制動切換研究［J］.微特電機，1998.3.

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［3］劉納.動量輪組件測試設(shè)備的設(shè)計［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.姿控飛輪用永磁無刷直流電動機電磁設(shè)計與分析［J］.特種電機，2009.10.

王曉忠，男，（1981-），碩士，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院講師，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