一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法技术

一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法，本发明专利技术涉及陀螺飞轮偶不平衡辨识方法。本发明专利技术为了解决现有经典影响系数法会产生部分无解的情况以及不同解之间差异大的问题。本发明专利技术包括：一、在转子N个相位添加偶不平衡形式试重，在辨识转速下，采集转子倾侧角数据，根据倾侧角数据得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk；二、利用步骤一得到的N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk，采用基于幅值影响系数法的最小二乘估计算法或者基于幅值和相位影响系数法的最小二乘估计算法，辨识陀螺飞轮转子的原始偶不平衡；三、根据步骤二得到的陀螺飞轮转子原始偶不平衡辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡的校正。本发明专利技术用于旋转机械动平衡领域。

An unbalance identification method for gyro flywheel couple

【技术实现步骤摘要】
一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法
本专利技术涉及旋转机械动平衡领域，特别涉及陀螺飞轮偶不平衡辨识方法。
技术介绍
结合质量轻、体积小、成本低、研制周期短、易于技术更新、功能密度高、快速灵活、机动性好等特点，航天器的小型化已成为空间技术发展的主要热点和必然趋势。姿态控制系统是航天器最重要的子系统之一，是微小航天器质量、体积、成本、功耗等的主要贡献者，其轻量化实现和多功能集成是推动微小航天器发展的重要手段。陀螺飞轮是一种新型姿态控制与姿态敏感装置，其将变速双框架控制力矩陀螺和动力调谐陀螺的功能集于一身，通过控制一个机械旋转体角动量幅值和指向，同时实现三维力矩输出和两维姿态角速率测量。该装置提高了航天器姿态控制系统的集成度和效率，降低了航天器姿态控制系统的体积、质量、功耗和成本，是实现微小航天器姿态控制技术研究的重要途径。由于加工工艺及装配水平的限制，陀螺飞轮的转子质量分布不均匀，在高速旋转时会引起振动。其中，陀螺飞轮偶不平衡的存在会导致转子沿赤道轴发生与转速同频率的倾侧运动，降低陀螺飞轮的力矩输出精度和姿态敏感精度，影响陀螺飞轮系统的正常工作，严重时会导致系统失稳，甚至造成陀螺飞轮的损坏。因此，实现高精度的动不平衡辨识和调整是陀螺飞轮研究必须解决的关键技术问题。使用经典影响系数法辨识陀螺飞轮偶不平衡时(专利名称为：一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法，专利号为：201710556832.5)，是在陀螺飞轮倾侧控制回路闭环条件下，利用力矩线圈电流信号，通过求解联立方程组，进行偶不平衡解算，但根据联立方程组选取的差异，可能存在无解的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有经典影响系数法会产生部分无解的情况以及不同解之间差异大的问题，而提出一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法。一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法包括以下步骤：步骤一、在转子N个相位添加偶不平衡形式试重，在辨识转速下，采集转子倾侧角数据，根据倾侧角数据得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk；步骤二、利用步骤一得到的N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk，采用基于幅值影响系数法的最小二乘估计算法或者基于幅值和相位影响系数法的最小二乘估计算法，辨识陀螺飞轮转子的原始偶不平衡；步骤三、根据步骤二得到的陀螺飞轮转子原始偶不平衡辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡的校正。本专利技术的有益效果为：本专利技术方法可以实现陀螺飞轮偶不平衡的辨识和校正，有效改善陀螺飞轮转子的质量分布，使陀螺飞轮转子倾侧角一倍频幅值从0.0232度降低到0.0022度，陀螺飞轮的偶不平衡校正幅度为90.4％，校正效果显著，如图4所示。由此，可以有效降低陀螺飞轮力矩噪声，提高转子的运行稳定性，从而提高其力矩输出精度和姿态测量精度。本专利技术是针对经典影响系数法(专利名称为：一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法)的不足，采用倾侧控制回路开环条件下的倾侧角信号，直接反映偶不平衡引起的振动，而不是倾侧控制回路闭环条件下的力矩线圈电流间接反映偶不平衡引起的振动；同时，使用基于最小二乘的改进影响系数法，保证了解的存在性和合理性。本专利技术是在陀螺飞轮倾侧控制回路开环条件下，利用转子倾侧角信号，采用基于最小二乘的改进影响系数法，通过线性最小二乘拟合进行偶不平衡解算，能够保证解的存在性。使用基于最小二乘的改进影响系数法辨识陀螺飞轮原始偶不平衡的效果如表一所示，由表一可以知道，使用三组以上数据均可实现辨识，且辨识结果差异不大。使用基于最小二乘的改进影响系数法(本专利技术)与经典影响系数法(专利名称为：一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法)辨识陀螺飞轮原始偶不平衡的效果对比如表二所示，由表二可以知道，使用本专利技术基于最小二乘的改进影响系数法的辨识结果稳定，不存在无解的情况。综上所述，基于最小二乘的改进影响系数法更适合陀螺飞轮偶不平衡的辨识。表一、基于最小二乘的改进影响系数法辨识结果(3600r/min)表二、应用两种算法的辨识结果对比(3600r/min)附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为陀螺飞轮倾侧角一倍频幅值随转速变化的重复性验证图；图3为不同试重相位下，倾侧角一倍频幅值随添加试重相位变化的曲线图；图4为倾侧控制回路开环条件下，使用本专利技术的辨识算法进行辨识和校正前后陀螺飞轮转子倾侧角一倍频幅值的对比图。具体实施方式具体实施方式一：如图1所示，一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法包括以下步骤：前期准备工作确定偶不平衡量辨识转速的具体过程为：1)在陀螺飞轮工作转速的范围内，选取测试转速为ωi，i＝1,2,…,n；2)当测试转速ωi运行稳定后，令陀螺飞轮工作在倾侧控制回路开环状态，记录10秒内陀螺飞轮转子倾侧角数据，此步骤重复执行5次；3)采用快速傅里叶变换，对步骤2)采集到的倾侧角数据进行计算，得到5次的测试转速ωi对应的倾侧角一倍频幅值为φij,j＝1,2,…,5，如图2所示。4)根据5次倾侧角一倍频幅值φij随转速变化曲线的重复性确定陀螺飞轮转子的辨识转速ωT。步骤一、在转子N个相位添加偶不平衡形式试重，在辨识转速下，采集转子倾侧角数据，根据倾侧角数据得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk；步骤二、利用步骤一得到的N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk，采用基于幅值影响系数法的最小二乘估计算法或者基于幅值和相位影响系数法的最小二乘估计算法，辨识陀螺飞轮转子的原始偶不平衡；步骤三、根据步骤二得到的陀螺飞轮转子原始偶不平衡辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡的校正。本专利技术方法可以实现陀螺飞轮偶不平衡的辨识和校正，有效改善陀螺飞轮转子的质量分布，使陀螺飞轮转子倾侧角一倍频幅值从0.0232度降低到0.0022度，陀螺飞轮的偶不平衡校正幅度为90.4％，校正效果显著，如图4所示。由此，可以有效降低陀螺飞轮力矩噪声，提高转子的运行稳定性，从而提高其力矩输出精度和姿态测量精度。本专利技术是针对经典影响系数法(专利名称为：一种基于陀螺飞轮力矩线圈电流的偶不平衡量辨识方法)的不足，采用倾侧控制回路开环条件下的倾侧角信号，直接反映偶不平衡引起的振动，而不是倾侧控制回路闭环条件下的力矩线圈电流间接反映偶不平衡引起的振动；同时，使用基于最小二乘的改进影响系数法，保证了解的存在性和合理性。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中在转子N个相位添加偶不平衡形式试重，在辨识转速下，采集转子倾侧角数据，根据倾侧角数据得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk的具体过程为：步骤一一、在不添加任何试重时，使陀螺飞轮转子以辨识转速ωT稳定运行，在倾侧控制回路开环条件下，记录10秒内的陀螺飞轮转子倾侧角数据，采用快速傅里叶变换对转子倾侧角进行计算，得到初始倾侧角一倍频幅值为φ0；步骤一二、在陀螺飞轮转子相位θk处，k＝1,2,…,N,N≥3，N为添加试重的位置数，添加质量为mk的偶不平衡形式的试重(即在转子上下表面对称位置分别添加质量为mk/2的试重)；步骤一三、当陀螺飞轮转子以辨识转速ωT稳定运行时，在倾侧控制回路开环条件下，记录10秒内的陀螺飞轮转子倾侧角数据；步骤一四、采用快速傅里叶变换对转子倾侧角进行计算，得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk。其它步骤及参数与具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法，其特征在于：所述陀螺飞轮偶不平衡估计方法包括以下步骤：步骤一、在转子N个相位添加偶不平衡形式试重，在辨识转速下，采集转子倾侧角数据，根据倾侧角数据得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk；步骤二、利用步骤一得到的N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk，采用基于幅值影响系数法的最小二乘估计算法或者基于幅值和相位影响系数法的最小二乘估计算法，辨识陀螺飞轮转子的原始偶不平衡；步骤三、根据步骤二得到的陀螺飞轮转子原始偶不平衡辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡的校正。

【技术特征摘要】
1.一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法，其特征在于：所述陀螺飞轮偶不平衡估计方法包括以下步骤：步骤一、在转子N个相位添加偶不平衡形式试重，在辨识转速下，采集转子倾侧角数据，根据倾侧角数据得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk；步骤二、利用步骤一得到的N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk，采用基于幅值影响系数法的最小二乘估计算法或者基于幅值和相位影响系数法的最小二乘估计算法，辨识陀螺飞轮转子的原始偶不平衡；步骤三、根据步骤二得到的陀螺飞轮转子原始偶不平衡辨识结果，进行陀螺飞轮偶不平衡的校正。2.根据权利要求1所述的一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法，其特征在于：所述步骤一中在转子N个相位添加偶不平衡形式试重，在辨识转速下，采集转子倾侧角数据，根据倾侧角数据得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk的具体过程为：步骤一一、在不添加任何试重时，使陀螺飞轮转子以辨识转速ωT稳定运行，在倾侧控制回路开环条件下，记录10秒内的陀螺飞轮转子倾侧角数据，采用快速傅里叶变换对转子倾侧角进行计算，得到初始倾侧角一倍频幅值为φ0；步骤一二、在陀螺飞轮转子相位θk处，k＝1,2,…,N,N≥3，添加质量为mk的偶不平衡形式的试重；步骤一三、当陀螺飞轮转子以辨识转速ωT稳定运行时，在倾侧控制回路开环条件下，记录10秒内的陀螺飞轮转子倾侧角数据；步骤一四、采用快速傅里叶变换对转子倾侧角进行计算，得到N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk。3.根据权利要求2所述的一种陀螺飞轮偶不平衡辨识方法，其特征在于：所述步骤二中利用步骤一得到的N个相位添加试重对应的倾侧角一倍频幅值为φk，采用基于幅值影响系数法的最小二乘估计算法或者基于幅值和相位影响系数法的最小二乘估计算法，辨识陀螺飞轮转子的原始偶不平衡的具体过程为：步骤二一：假设陀螺飞轮原始偶不平衡量的相位和幅值分别为θ0和U0，原始偶不平衡量在试重面上的等效质量为m0；基于影响系数法，采用复数形式表示转子N个相位添加偶不平衡形式试重时的倾侧角与偶不平衡关系如下：其中C1,C2为待校正陀螺飞轮样机的影响系数，θC1,θC2分别为C1和C2对应的相位；Uk为添加的偶不平衡量，φk和θφk表示在N个相位添加偶不平衡形式试重时的倾侧角一倍频幅值和相位。将式(1)改写为如下形式：将式(2)整理为Axk＝bk的形式，其中，

【专利技术属性】
技术研发人员：霍鑫，刘海媛，皮永江，郭照升，冯四兆，赵辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23