单轴气浮平台的角动量测试系统设计

刘寅琛，崔剑，王亮，

(1.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2.北京航空航天大学 工程训练中心)



刘寅琛1，崔剑2，王亮1，2

(1.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2.北京航空航天大学 工程训练中心)

为了测量气浮平台台面上转动部件的角动量，需要测量气浮平台工作过程中诸如转速、转角以及转动惯量等物理量。为此，设计了一台单轴气浮平台的测试系统，描述了系统的整体结构和相关物理量的测量方法，介绍了系统各模块的硬件和软件设计，重点提出了气浮平台台上和台下相关性数据的时间同步方案。系统测试设备简单，具有很高的数据测量精度和相关性数据的时间同步精度。

单轴气浮平台；测试系统；角动量测量；时间同步

引 言

本文设计了基于单轴气浮平台的角动量测试系统，与单轴气浮平台本体共同构成单轴气浮平台系统，实现对单轴气浮平台台面转动部件角动量的高精度和高稳定度测量。

1 系统总体结构设计

具有单个转动单元的转动部件的角动量输出，可以通过测量转动单元的转动惯量和转动单元相对安装面的角速度实现。但是，对于多转动单元、多自由度以非正交方式耦合的情况，如果分别对各个转动单元角动量输出进行测量，然后通过耦合分析得到的综合输出会因中间环节过多而增大测试误差。利用气浮平台测试系统可以实现转动部件角动量输出的直接测量，从而减少中间环节，提高测量精度，被测转动部件输出角动量Hout如下[3]:

(1)

单轴气浮平台角动量测试系统的总体结构框图如图1所示。构成单轴气浮平台测试系统主体的单轴气浮平台由转动部分和固定部分组成，为了保证气浮平台近似无摩擦的相对运动，将转动台面上的设备和台下固定部分的设备进行完全的物理隔离，对台上的设备采用高蓄能电池供电，台上和台下之间数据信息和控制命令等的传输采用无线通信方式，减少干扰力矩。

图1 系统总体结构框图

台上测试系统的陀螺数据、台下测试系统的角度数据的读取以及台上和台下的5路时间同步信号需要达到高精度的时间同步。使用PIC32单片机解调IRIG-B(DC)时间码[4]获取绝对时间，并用软件补偿延时的方法使各路数据的获取达到高精度时间同步。

由式(1)可知，为了实现对气浮平台台面上转动部件角动量的高精度测量，对气浮平台角动量测试系统的转动惯量测量、角速度测量和系统其他相关的关键单元的测试精度提出了较高的要求。

2 系统关键单元设计

2.1 质心测量单元设计

单轴气浮平台台面装载有效负载后，为尽量减小干扰力矩，确保系统测试精度，应尽量减少台面质心相对于台体回转轴线的偏移量，因此需要在气浮平台工作前测量转动台面及负载的质心,并进行调整。

采用三点支撑法进行质心测量。用3个测力传感器支承气浮平台转动台面(包括负载)，根据力矩平衡原理测量气浮平台的质心。3个测力传感器均布于台面上，与之对应的三个称重压片安装在轴承基体上。该方法结构简单，测量效率和精度比较高。若称重传感器所测得力分别为f1、f2、f3，则工作台总质量M为：

(2)

式中:g为重力加速度，单位为N/kg。

根据力矩平衡原理可得质心坐标计算式为：

(3)

式中:xi,yi为测力传感器i的坐标，i=1,2,3。

由上述计算式计算得到质心坐标，调整转动台面上负载的位置，减小偏移量，反复测试和调整以达到质心偏移要求。测量误差主要来自传感器测量误差以及传感器定位误差。前者取决于传感器的测量精度，而定位误差取决于加工及安装误差。

鉴于转动台面与轴承基体之间空间较小，测力传感器选用微型压力传感器、可选用LC4700型号的测力传感器、TR200H型号的测力变送器。

2.2 转动惯量测试单元设计

测试转动惯量是单轴气浮平台仿真实验的一项重要前期工作，测试转动惯量的方法很多。若物体形状简单且质量分布均匀，可以直接计算而获得其转动惯量。对于单轴气浮平台及其负载和设备这样复杂的系统，只能通过实验手段测量其转动惯量。

转动惯量测试方法的选择略——编者注。本系统采取简谐振动差值法测量气浮平台及台面负载的转动惯量。

测试方法设计如下：由简谐振动差值法原理可知，测量转动惯量时在转动台面和基座相应位置安装弹簧和测试砝码；通过气浮平台的测试系统记录振动波形，利用快速傅里叶变换进行自谱分析可得到精确的频率值；将加配重前后的频率值、以及配重相关参数带入公式，即可算得气浮平台及其负载的转动惯量。改变砝码质量和安装位置，多次测量取平均值。测试流程如图2所示。

图2 转动惯量测试流程

转动惯量测试完成后须将弹簧和砝码拆下，以免影响气浮平台正常工作。

2.3 测角单元设计

测角单元实现对气浮台转动角度的测量，安装在气浮平台内部，角度编码器必须采用分体式结构，编码器和固定装置在物理上是分离的，从而避免轴系摩擦力矩对气浮平台测量精度的影响。

角度编码器选择ERP880型无内置轴承角度编码器，测角精度可达±1″。读数头读取的测量数据通过角度编码器板卡IK220进行采集和细分，细分后数据位数最高可达29位。板卡接口为PCI总线形式。经控制计算机处理计算可得气浮平台的转动角度，测角单元程序流程图如图3(a)所示。

2.4 测速单元设计

测速单元实现对气浮台转动角速度的高精度测量，主要包括光纤陀螺仪、供电系统、台上MCU、无线传输模块等。台下无线接收模块接收台上无线发射模块发送的陀螺速度数据，传输到上位PC机处理和存储。

选择F98M-M型光纤陀螺仪，角速度信息以RS232串口形式输出。测量速度分辨率达到0.1″/s，测量重复精度达到0.000 03(°/s)，动态测量精度达到0.000 17(°/s)。测速单元程序流程图如图3(b)所示。

图3 测角单元和测速单元程序流程图

2.5 数传单元设计

数据传输单元负责将气浮平台台上MCU读取的数据及时准确地传送给台下MCU，并将主计算机的控制指令通过台下MCU回传给台上MCU。根据系统要求，台上和台下之间采用无线方式进行通信。无线收发器技术具有功耗低、抗干扰能力强、自主开发程度高、开发成本低、技术成熟、灵活度极高等优点[9]，是气浮平台测试系统中无线通信的最佳方案。

在目前较为流行的无线通信芯片中，从使用的方便性、传输速度和输出功率等各个方面考虑，nRF24L01型号的无线收发模块是一种比较理想的选择。它的增强型ShockBurst工作模式对节省指令时间、提高时间同步精度起到重要作用。nRF24L01无线模块发送模式和接收模式程序流程图如图4所示。

图4 无线模块发送模式和接收模式流程图

2.6 时统单元设计

分布式采集系统由一组独立的数据采集器件组成,它们之间相互连接、共享信息,注重各个系统之间的配合,因此在分布式系统中需要引入时钟同步技术[10]。在气浮平台测试系统中，时统系统通过获得IRIG-B(DC)码的精确授时信息，并对无线传输过程中的延迟进行补偿，为被测设备、测角和测速单元提供统一的时间标准，从而保证分布式数据对时间的一致性。

2.6.1 IRIG-B(DC)码格式及其解码设计

IRIG-B时间码(简称B码)是一种时间同步标准码，广泛应用于靶场时间信息的传递和各系统间的时间同步，具有信息量大、分辨率高、适合于传输、抗干扰能力强和通用性好的特点[11]。在本系统中，采用IRIG-B(DC)码获取绝对时间，对整个系统进行高精度的授时，在实验方式和成本方面是最合适的方案。

IRIG-B(DC)码是一种串行脉宽编码，有3种码元，每个码元分别占据10 ms的时间，逻辑“1”和逻辑“0”所对应码元的高电平持续时间分别为5 ms和2 ms，P码元称为位置识别码元，用于定位编解码，高电平持续时间为8 ms。IRIG-B(DC)码一秒传送一帧数据，每一帧所包含的时间信息略——编者注。

IRIG-B(DC)码的解码分为两个部分，一是对准时沿的提取，二是对时间信息的解码。对准时沿的提取是解码的关键，准时沿的提取误差将直接影响秒脉冲的精度。对时间信息解码就是将B码中包含的时、分、秒信息提取出来，转换成时间数据的形式。

单片机解码流程图略——编者注。

2.6.2 气浮平台台上和台下的时间同步方案

单片机对IRIG-B(DC)码进行软件解码后，根据解码的结果，修正台下MCU本地时钟。本地时钟采用外接高频高稳定度恒温晶体分频定时，保证本地时钟具有很低的计时抖动，降低计时带来的时间同步误差。

台下系统和台上系统通信采用半双工进行，台下MCU为主控机，台上MCU为客户机，主控机在Th时刻向客户机发送固定的测量帧，客户机接收后将客户机本地时间Ts发送给主控机，主控机接收后根据发送时刻Th和接收时刻Td计算出线路延迟ts，并将延时补偿后的初始时刻发送给客户机进行精确授时。

PIC32单片机最高工作频率为80 MHz，中断响应时间很短，采用中断方式响应无线模块的状态，可以最大幅度地减少处理器响应延迟，为精确的定时同步提供保障。由于台上和台下计算机都采用相同的MCU和收发模块，则主控机向客户机发送信号和客户机向主控机发送信号的延时近似相等，均为ts，则有：

(4)

式中：tp为客户机收到授时标志后，到返回授时标志的处理时间。由于PIC32 MCU处理器的响应时间非常快(1/80 MHz = 0.012 5 μs)，故相较时统系统的时间误差5 μs，可以忽略。故式(4)可以简化为：

(5)

由式(5)可以解得：

(6)

当主机通过计算得到ts时，就可以将原始授时点时刻补偿ts延迟之后的值发送给客户机，保证客户机本地时钟和主机时钟严格同步。台上系统的时统输出信号和台下系统相同，在此不再赘述。台上和台下系统的时统子程序流程图如图5所示。

图5 台下系统和台上系统无线时统流程图

结 语

该设计方法测试设备简单，具有很高的数据测量精度和相关性数据的时间同步精度，对监测卫星平台的扰动以及相应的控制设计具有重要的指导意义。

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刘寅琛(硕士研究生)，主要研究方向为机械电子工程。

Liu Yinchen1, Cui Jian2, Wang Liang1,2

(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China；2. Engineering Training Center, Beihang University)

In order to measure the angular momentum of rotating components on the test-bed, we need to measure some physical quantities such as rotating speed, rotating angle and rotational inertia.Therefore, this paper designs the test system of single-axis air bearing test-bed, describes the massive structure of the test system and the method of measuring, introduces the design of hardware and software of each module in the system, and focuses on the time synchronization method of the correlative data on the test-bed and under the test-bed. The system is made up of brief equipments, and it can achieve high precision of data measurement and high time synchronization precision of correlative data.

single-axis air bearing test-bed; test system; angular momentum measurement; time synchronization

TP274.2

A

迪娜

2013-10-17)