等精度转速测量方法在磁悬浮飞轮中的应用
磁悬浮储能飞轮振动状态监测研究
磁悬浮储能飞轮振动状态监测研究薛晓川;王志强【摘要】针对磁悬浮储能飞轮系统的不平衡振动会影响转子稳定运转和系统正常工作的问题,对其扰动原因进行研究.通过建立含有转子不平衡量的广义干扰方程和磁悬浮飞轮动力学方程,对不平衡振动中的同频、倍频及模态分量进行理论分析.设计并实现了一套基于LabVIEW-DAQ的磁悬浮飞轮振动状态监测系统,完成对储能飞轮振动信号的实时采集、处理和显示,实现了飞轮的振动状态监测,并对一台300 kW储能飞轮进行试验验证.针对储能飞轮工作的强电环境引起的信号噪声,对原始信号进行小波阈值消噪处理.对消噪后的振动信号进行频域分析,获取某一转速下飞轮的振动频谱图和不同转速下飞轮振动信号的三维瀑布图.试验结果表明,该飞轮振动频谱中存在稳定的飞轮旋转频率成分及其倍频分量.该系统操作简单,通用性强,具有一定的市场前景和应用价值.%In magnetic levitation energy storage flywheel system,the unbalanced vibration may influence the stability of the rotor and the normal operation of system;aiming at these problems,the reasons of the disturbance are studied.Through establishing the generalized disturbance equation containing unbalance quantity of rotor,and the dynamics equation of magnetic levitation flywheel,the theoretical analysis of the same frequency,double frequency and modal components in the unbalance vibration is carried out.A vibration condition monitoring system based on LabVIEW-DAQ for the magnetic levitation flywheel is designed and implemented.With this system,real-time acquisition,processing and display of the flywheel vibration signal can be completed,and the vibration condition monitoring of flywheel isimplemented,and the experimental verification for a certain 300 kW energy storage flywheel is conducted.Aiming at the signal noise caused by the strong electric working environment of flywheel,the original signals are processed with wavelet threshold denosing,and the frequency domain syslysis is accomplished for the vibration signal after denoising,to obtain the vibration spectrum of the flywheel at a certain speed;and the three dimensional waterfall diagram of flywheel vibration signal under different speeds.The experimental results show that in the vibration spectrum of the flywheel,both the stable flywheel rotating frequency component and the double frequency component exist.The system is simple and versatile,so it has good market prospect and application value.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2017(038)007【总页数】6页(P89-94)【关键词】储能飞轮;磁悬浮;不平衡振动;频率成分;数据采集;小波消噪;频域分析;状态监测【作者】薛晓川;王志强【作者单位】北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TH825;TP806+.1飞轮储能技术作为一种新型储能方式，以其高效、环保等优势，具有广泛的发展前景，并已在电网系统、轨道交通等领域发挥了巨大作用[1]。
北京航空航天大学科技成果——航天器用磁悬浮储能飞轮系统
北京航空航天大学科技成果——航天器用磁悬浮储能飞轮系统成果简介能源问题是卫星、对地观测平台、宇宙飞船、空间望远镜等航天器寿命短、可靠性低的主要制约因素之一，提高电源的供给能力、寿命和可靠性是航天器亟待解决的核心问题。
磁悬浮储能飞轮与目前航天器用化学电池相比，具有储能密度大、峰值功率高、寿命长、工作性能稳定、能量转换效率高、无污染等诸多优点，对于提高航天器用电源的供给能力、延长寿命、提高可靠性等性能方面具有显著意义。
同时还可以利用储能飞轮产生的动量矩对航天器姿态进行有效控制，这种独特的双重功能对于提高卫星、对地观测平台、宇宙飞船等诸多航天器的性能有其显著意义。
此外，磁悬浮储能飞轮还可以作为蓄电池、不间断电源和电动汽车、火车等交通工具的动力源。
目前的储能飞轮有的为径向磁轴承采用主动磁轴承，而轴向磁轴承采用被动磁轴承支承，主要应用于电动汽车、不间断电源等工业部门，而有的储能飞轮为内转子结构，存在储能密度低、体积大等缺点。
该项目研制出的航天器用磁悬浮储能飞轮系统由静止部分和转动部分两部分组成，静止部分包括：轴向混合磁轴承的静止部分、保护轴承、径向与轴向一体化位移传感器、电机的静止部分、径向混合磁轴承的静止部分、壳体、安装轴和锁紧螺母；转动部分包括：轴向混合磁轴承的转动部分、复合材料转子、电机的转动部分和径向混合磁轴承的转动部分。
电机位于系统的中间位置，其转动部分安装在复合材料转子的轮壳内部，其静止部分安装在安装轴上，径向混合磁轴承处于电机的两端，其静止部分与安装轴连接在一起，其转动部分与复合材料转子的轮壳连接在一起，在径向混合磁轴承的外侧各有一个固定在安装轴上的径向与轴向一体化位移传感器、轴向混合磁轴承位于飞轮的两端，在轴向混合磁轴承和径向与轴向一体化位移传感器之间为保护轴承，保护轴承与安装轴相连接，在保护轴承的外侧为轴承座，轴承座与复合材料转子连接在一起，径向与轴向一体化位移传感器、保护轴承和轴向混合磁轴承通过锁紧螺母固定在安装轴上，整个系统由密封在壳体内部，保持内部真空，以减小空气阻力，提高转速。
大学磁悬浮实验报告
大学磁悬浮实验报告1. 实验目的。
本实验旨在通过磁悬浮系统的搭建和调试，了解磁悬浮技术的基本原理和应用，掌握磁悬浮系统的工作原理和调试方法。
2. 实验原理。
磁悬浮技术是利用磁场对物体进行悬浮和定位的技术。
在磁悬浮系统中，通常会使用永磁体和电磁体来产生磁场，通过控制磁场的强度和方向，实现对物体的悬浮和定位。
磁悬浮系统通常包括传感器、控制器和执行器等部件，通过这些部件的协调工作，可以实现对物体的精确悬浮和定位。
3. 实验装置。
本次实验使用了磁悬浮实验装置，该装置包括永磁体、电磁体、传感器、控制器和执行器等部件。
通过这些部件的组合和调试，可以实现对物体的磁悬浮和定位。
4. 实验步骤。
（1）搭建磁悬浮系统，首先，按照实验指导书的要求，搭建磁悬浮系统的结构，包括永磁体、电磁体、传感器和执行器等部件的组装和连接。
（2）调试磁悬浮系统，接下来，对搭建好的磁悬浮系统进行调试，包括对永磁体和电磁体的磁场强度和方向进行调节，以及对传感器和执行器的连接和设置进行调试。
（3）测试磁悬浮效果，最后，对调试好的磁悬浮系统进行测试，观察和记录磁悬浮效果，包括对物体的悬浮和定位情况进行测试和分析。
5. 实验结果。
经过调试和测试，我们成功搭建和调试了磁悬浮系统，并取得了良好的磁悬浮效果。
通过实验，我们深入了解了磁悬浮技术的基本原理和应用，掌握了磁悬浮系统的工作原理和调试方法。
6. 实验总结。
通过本次实验，我们对磁悬浮技术有了更深入的了解，掌握了磁悬浮系统的搭建和调试方法，为将来的科研和工程实践奠定了基础。
同时，我们也意识到磁悬浮技术在现代工程领域的重要应用前景，对其发展和应用充满信心。
7. 实验改进。
在今后的实验中，我们可以进一步探索磁悬浮技术的应用领域，开展更深入的研究和实践，为磁悬浮技术的发展和应用做出更大的贡献。
通过本次实验，我们对磁悬浮技术有了更深入的了解，掌握了磁悬浮系统的搭建和调试方法，为将来的科研和工程实践奠定了基础。
磁悬浮储能飞轮状态监测系统
磁悬浮储能飞轮状态监测系统
黄漪帅;梁志宏;张峰;蔡晓科;韩明;苏森
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2023()1
【摘要】为保证磁悬浮储能飞轮安全稳定地运行,建立了一套磁悬浮储能飞轮状态监测系统。
根据系统原理图,利用储能飞轮自身的传感器和变送器,加上隔离器、数
据采集卡和上位机组成系统硬件。
通过LabVIEW平台开发了磁悬浮储能飞轮监测软件。
软件实现了数据采集、信号处理、转速计算、趋势图显示、时域分析、频域分析、轴心轨迹显示等功能,并能实时、定时、定转速地自动储存监测数据与图片。
软件利用缓存程序设计,解决了高频次存储数据占用大量时间资源的问题。
利用监
测系统对500 kW-125 kW·h磁悬浮储能飞轮产品测试,测试结果指标正常,验证了监测系统的各项功能及系统的稳定性。
【总页数】8页(P70-77)
【作者】黄漪帅;梁志宏;张峰;蔡晓科;韩明;苏森
【作者单位】国家能源集团宁夏电力公司;国家能源集团国能宁夏灵武发电有限公司;华驰动能北京科技有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP277
【相关文献】
1.磁悬浮储能飞轮振动状态监测研究
2.磁悬浮飞轮储能系统中电机干扰特性分析及监测方法研究
3.飞轮储能系统用超导电磁混合磁悬浮轴承设计
4.基于磁悬浮储能飞轮阵列的地铁直流电能循环利用系统及实验研究
5.主动磁悬浮轴承-储能飞轮转子系统振动主动控制
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磁悬浮反作用飞轮高精度力矩控制
磁悬浮反作用飞轮高精度力矩控制*冯健，刘昆，冯昱澍（国防科学技术大学 航天科学与工程学院，湖南 长沙 410073）摘要：为提高磁悬浮反作用飞轮输出力矩精度，针对传统控制方法下，永磁无刷直流电机非理想反电势和换相引起的转矩脉动，分别提出补偿控制策略。
非换相期间，根据转速和位置信息，估计实时反电势来获取参考电流，通过设计的力矩控制器直接计算出调制占空比，以补偿非理想反电势引起的力矩脉动；分析了全转速范围内换相期间转矩波动的特点，分别提出了低速区非换相相调制和中高速区间关断相调制的换相转矩脉动抑制策略，并给出了换相时间的计算方法。
实验表明，所提控制方法显著提高了飞轮的输出力矩精度，验证了方法的正确性和有效性。
关键词：非理想反电势；换相；转矩脉动；补偿方法中图分类号：V42 文献标志码：A 文章编号：High-Precision Torque Control for Magnetically SuspendedReaction FlywheelFENG Jian, LIU Kun, Feng Y ushu(College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: In order to improve the torque-output precision of the magnetically suspended reaction flywheel, compensation methods are proposed respectively to attenuate the undesirable torque ripple caused by nonideal back electromotive force waveform and commutation in classical control of brushless DC motor. The real-time back electromotive force is estimated according to rotor position and speed to obtain reference current, Pulse width modulation duty cycle is calculated in the torque controller. The theoretical derivation is analyzed, methods of modulation of the non-commutation phase during low-speed range and modulation of the switching-out phase during high-speed range are presented based on the characteristics respectively. Also, calculation method of the commutation time is given. The experimental results show that the proposed method can achieve an effective compensation effect.Keywords: nonideal electromotive force, commutation, torque ripple, compensation method*收稿日期：2016-1-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（61304036）；国家863计划资助项目 作者简介：冯健（1989-），男，山东德州人，博士研究生，E-mail: fengjian@;刘昆，男，教授，博士生导师，Email: liukun@反作用飞轮是航天器姿态控制系统的关键执行机构[1]。
磁悬浮陀螺原理
磁悬浮陀螺原理
磁悬浮陀螺是一种利用磁悬浮技术实现悬浮的陀螺仪，它利用
磁场的作用使陀螺旋转，从而实现对空间姿态的控制。
磁悬浮陀螺
具有结构简单、响应速度快、精度高等优点，因此在航天器、导弹、舰船等领域得到了广泛应用。
本文将介绍磁悬浮陀螺的原理及其应用。
磁悬浮陀螺的原理主要包括磁悬浮技术和陀螺原理两部分。
首
先是磁悬浮技术，它是利用电磁原理实现对陀螺的悬浮和控制。
通
过在陀螺周围设置电磁铁，产生磁场，使陀螺在磁场的作用下悬浮
并旋转。
其次是陀螺原理，陀螺是一种保持自身方向的旋转物体，
它具有角动量守恒的特性。
在磁悬浮陀螺中，通过控制磁场的方向
和强度，可以实现对陀螺的悬浮和旋转，从而对其姿态进行控制。
磁悬浮陀螺的应用主要集中在惯性导航、姿态控制和精密测量
等领域。
在惯性导航中，磁悬浮陀螺可以实现对航天器、导弹等飞
行器的姿态控制，提高其飞行稳定性和精度；在姿态控制中，磁悬
浮陀螺可以实现对舰船、飞机等载具的姿态控制，提高其航行稳定
性和精度；在精密测量中，磁悬浮陀螺可以实现对地球自转、地壳
运动等现象的测量，提高测量的精度和稳定性。
总之，磁悬浮陀螺是一种利用磁悬浮技术实现悬浮的陀螺仪，它具有结构简单、响应速度快、精度高等优点，因此在航天器、导弹、舰船等领域得到了广泛应用。
通过控制磁场的方向和强度，可以实现对陀螺的悬浮和旋转，从而对其姿态进行控制。
磁悬浮陀螺的应用主要集中在惯性导航、姿态控制和精密测量等领域，可以提高飞行器、载具的稳定性和精度，提高测量的精度和稳定性。
微摩擦力全永磁悬浮轴承在风力发电机中的应用
微摩擦力全永磁悬浮轴承在风力发电机中的应用微摩擦力全永磁悬浮轴承在风力发电机中的应用随着风力发电行业的快速发展，对风力发电机性能的要求也越来越高。
微摩擦力全永磁悬浮轴承作为现代高精密度、高速度机械的重要组成部分，其在风力发电机中的应用越来越受到关注。
1. 背景介绍微摩擦力全永磁悬浮轴承是一种利用电磁力、电动力和静电力实现的轴承形式，它能够实现永久浮起，无摩擦悬浮和旋转传动。
在风力发电机中，传统的滚动轴承往往容易受到载荷大、转速高等因素的限制，而微摩擦力全永磁悬浮轴承正是为了解决这些问题而设计的。
2. 技术原理微摩擦力全永磁悬浮轴承的工作原理是利用磁悬浮技术，通过控制轴承中的磁场，使轴承内的转子实现浮动。
其内部包括永磁体、传感器和控制器等关键部件，通过精确的感知和控制，实现对机械设备的支撑和旋转。
3. 应用优势在风力发电机中，微摩擦力全永磁悬浮轴承具有以下几大优势：- 高速旋转：能够满足风力发电机高速旋转的需求，提高了机组的功率密度和效率；- 高精密度：轴承的高精密度支持了机组的高转速和大载荷，提高了机组的可靠性和寿命；- 无摩擦：摆脱了传统滚动轴承的摩擦，减少了机械能损耗，降低了能源消耗；- 无接触：轴承的悬浮设计使得旋转部件在工作过程中无需接触，减小了振动和噪音。
4. 实际应用微摩擦力全永磁悬浮轴承在风力发电机中的应用已经取得了一些实质性的成果。
一些风力发电设备制造商已经开始尝试在其风力发电机上应用这一新技术，并取得了一定的效果。
通过应用微摩擦力全永磁悬浮轴承，风力发电机的性能得到了显著改善，包括提高了发电效率、降低了维护成本和延长了设备使用寿命。
5. 个人观点从个人角度来看，微摩擦力全永磁悬浮轴承在风力发电机中的应用是一种创新性的技术，能够有效提高风力发电机的性能和可靠性。
在未来，随着这一技术的不断成熟和推广，相信它将会在风力发电行业发挥越来越重要的作用。
总结回顾微摩擦力全永磁悬浮轴承作为一种高新技术，其在风力发电机中的应用将会推动整个行业的发展。
飞轮储能实验报告
飞轮储能实验报告研究背景储能技术是解决能源存储和利用不平衡问题的重要途径之一。
传统储能技术如电池、超级电容器具有很高的能量密度和实用性，但在功率密度和循环寿命方面还有一定的限制。
而飞轮储能技术作为一种新兴的储能技术，具有很高的功率密度、循环寿命长、响应速度快等优点，受到了广泛关注。
实验目的本实验旨在通过实际搭建飞轮储能系统，验证其储能和释放能量的效果，以及了解并分析该系统的特点和性能。
实验设计实验装置本实验采用以下装置：- 电机：用于驱动飞轮的旋转。
- 飞轮：用于储存和释放能量。
- 传感器：用于测量飞轮转速和电机电流。
- 控制电路：用于控制电机的启停和调节转速。
实验步骤1. 搭建实验装置：将电机与飞轮连接起来，并连接相应的传感器和控制电路。
2. 启动电机：打开控制电路，启动电机驱动飞轮旋转。
3. 测量转速：利用传感器测量飞轮的转速，并记录数据。
4. 储能过程：将电机继续驱动飞轮旋转，将电能转化为飞轮的动能并储存起来。
5. 释能过程：停止电机驱动飞轮转动，观察飞轮的减速过程，并测量转速和电机电流的变化。
6. 数据分析：根据实测数据分析飞轮储能的效果和系统性能。
实验结果经过多次实验和数据记录，我们得到了以下结果：1. 储能效果：通过测量，我们观察到在储能过程中，飞轮的转速逐渐增加，表明了成功将电能转化为了飞轮的动能。
2. 释能效果：在释能过程中，我们观察到飞轮的转速逐渐减小，同时电机电流逐渐增大，表明了飞轮释放了能量，并驱动电机工作。
根据数据分析，我们得出了以下结论：1. 飞轮储能系统具有较高的储能效率和释能效率，能够有效地储存和释放能量。
2. 飞轮储能系统具有很高的响应速度和循环寿命，能够快速响应能量需求并持久稳定地工作。
实验结论飞轮储能技术作为一种新兴的储能技术，在实验中展现出了较好的储能和释能效果。
通过本实验的数据分析，我们认为飞轮储能系统具有良好的特点和性能，具备广泛应用的潜力。
然而，飞轮储能技术仍有一定的局限性，如飞轮旋转过程中存在能量损耗和机械振动等问题。
磁悬浮系统控制算法及实现
磁悬浮系统控制算法及实现磁悬浮技术是近年来发展较快的一种交通方式，其具有速度快、运行平稳、能耗低等优势，而磁悬浮系统的控制算法是保证其运行效率和安全的重要组成部分。
本文将介绍磁悬浮系统的控制算法及其实现。
1.磁悬浮系统的基本原理磁悬浮列车由车体、轨道和控制系统三部分组成，车体利用电磁铁和超导磁体产生反向磁场，与轨道之间形成非接触式磁悬浮，实现列车对轨道的悬浮和牵引。
磁悬浮列车的速度控制和位置控制主要由控制系统实现。
磁悬浮系统的控制算法主要有三种：PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法。
（1）PID控制算法：PID控制算法是一种经典的控制算法，可以实现对磁悬浮系统的位置和速度进行精确控制。
PID控制器根据实时反馈的位置和速度信息，计算出控制量，调节电流和磁力，实现对车体的位移和速度控制。
（2）模糊控制算法：模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，可以对复杂系统进行控制。
磁悬浮系统的控制过程中，受到诸多外部干扰，如风力、地震等，模糊控制算法可通过模糊推理技术实现对干扰信号的有效抑制。
（3）神经网络控制算法：神经网络控制算法是一种基于人工神经网络的控制算法，可以对非线性系统进行较为准确的控制。
磁悬浮系统的非线性特性较为显著，神经网络控制算法可通过训练神经网络模型，实现对磁悬浮系统的精确控制。
磁悬浮系统的实现主要包括硬件和软件两个方面。
（1）硬件实现：磁悬浮系统的硬件主要由电磁铁、超导磁体、传感器和控制器等组成。
其中，电磁铁和超导磁体负责实现磁悬浮和牵引，传感器主要用于测量车体的位置和速度等信息，控制器则根据传感器反馈的信息计算控制器并实现对磁悬浮系统的控制。
（2）软件实现：磁悬浮系统的软件实现主要包括控制程序、监控程序和故障处理程序等。
控制程序编写了磁悬浮系统的控制算法，实现对车体位置和速度的精确控制；监控程序则负责监测磁悬浮系统的运行状态，及时发现故障并进行处理；故障处理程序则在系统运行过程中出现故障时进行自动处理，避免对整个系统造成不利影响。
磁悬浮主轴实验报告
磁悬浮主轴实验报告实验报告：磁悬浮主轴一、实验目的：1. 了解磁悬浮主轴的原理和结构；2. 学习磁悬浮主轴的工作方式和性能；3. 探究磁悬浮主轴在加工中的应用。
二、实验原理：磁悬浮主轴是一种应用磁力悬浮技术实现的主轴，主要由永磁体和电磁体组成。
永磁体和电磁体之间通过磁力作用实现轴的悬浮，使得主轴可以在不接触其他物体的情况下高速旋转。
三、实验步骤：1. 检查磁悬浮主轴的组装情况，确保各部件安装正确；2. 将磁悬浮主轴连接到电源和控制系统，确保供电正常；3. 对磁悬浮主轴进行初次测试，观察轴的悬浮情况和运行状态；4. 调整控制系统参数，尝试不同的工作模式和转速；5. 将磁悬浮主轴与其他设备连接，进行实际加工试验；6. 分析实验结果，总结磁悬浮主轴的性能和应用范围。
四、实验数据与结果：通过实验，我们观察到磁悬浮主轴可以在高速运转时保持稳定的悬浮状态，无需任何物体支撑。
在不同转速和工作模式下，主轴的悬浮高度和刚度可以通过调整控制系统参数来改变。
实验中，我们成功将磁悬浮主轴与其他设备连接，进行了加工试验，发现主轴具有较高的加工精度和稳定性。
同时，磁悬浮主轴还可以实现快速的启停，减少了加工时间。
五、实验分析：磁悬浮主轴的优势在于可以实现非接触式旋转和快速的启停，有效地降低了设备磨损和能耗。
同时，磁悬浮主轴的稳定性和加工精度也大大提高了生产效率。
然而，磁悬浮主轴的制造和维护成本较高，需要较高的技术水平和设备精度。
六、实验总结：通过本次实验，我们了解了磁悬浮主轴的原理和结构，并通过实验验证了其工作方式和性能。
磁悬浮主轴的成功应用在机械加工领域，极大地提高了加工效率和产品质量。
然而，磁悬浮主轴的制造和维护成本仍然是一个挑战，需要进一步的研究和改进。
希望通过本次实验的学习，能够对磁悬浮主轴的应用和发展有更深入的了解。
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电子测量技术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ 第３３卷第４期
２Ｏ１Ｏ年４月
等精度转速测量方法在磁悬浮飞轮中的应用 陈小飞 刘 昆 （国防科技大学航天与材料工程学院 长沙４１００７３）
摘要：为解决传统转速测量方法难于满足磁悬浮飞轮系统转速测量的精度及抗干扰性能要求，提出 一种基于磁 悬浮飞轮ＤＳＰ控制器的等精度转速测量方法，给出了可测转速范围和测量精度的计算公式，分析了等精度转速测量 方法的参数设置规律。应用等精度方法进行了转速测量实验，结果验证了应用等精度法进行磁悬浮飞轮转速测量的 可行性及有效性，且具有精度高、抗干扰能力强、运算速度快等特点。 关键词：磁悬浮飞轮；转速测量；等精度；ＤＳＰ 中图分类号：ＴＭ３０１．２ 文献标识码：Ａ
Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｕｓｉｎｇ ｅｑｕａｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏｆｅｉ Ｉ ｉｕ Ｋｕｎ （Ｃｏｌｌａｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，４１００７３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｑｕａｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｂｙ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅａｂｌｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｓｏ ｔｏ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅｑｕａｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ ｅｑｕａｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｌｅｓｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｑｕａｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ＤＳＰ
０ 引 言 磁悬浮飞轮 是一种应用于现代航天器的高精度、长 寿命姿态控制执行机构。对磁悬浮飞轮进行高精度的控 制，需要对飞轮转子进行高精度、高可靠性的转速测量。 目前，常用的转速测量方法有Ｍ法、Ｔ法、Ｍ／Ｔ法，其中， Ｍ法精度不高 ，Ｔ法精度虽高，但可测转速范围有限 ］， Ｍ／Ｔ法结合了Ｍ法和Ｔ法的优点但算法复杂 ；为提高 转速测量精度和抗干扰性，还提出了自适应法 ］、窗口过 滤法 以及等精度法 制等方法。转速测量方法的选择和 实现受限于系统硬件组成，如使用光电编码器与ＤＳＰ正交 脉冲编码电路进行转速测量 ，对于磁悬浮飞轮而言，直 接使用飞轮驱动电机提供转速脉冲是一个很好的方案，且 便于将电机控制及悬浮控制一体化设计，因此磁悬浮飞轮 转速测量仅需处理电机转速脉冲。磁悬浮飞轮采用ＤＳＰ 进行悬浮控制，要求转速测量在满足精度和抗干扰性能的 同时，还要满足与其他控制程序资源不冲突的条件，因此
转速测量方法应尽量简单。等精度法具有精度高、抗干扰 能力强的特点，适宜于磁悬浮飞轮转速测量。 本文针对作者所在研究室研制的磁悬浮飞轮，提出在 ＤＳＰ控制器上进行磁悬浮飞轮等精度转速测量的方法，采 用ＤＳＰ事件管理器的捕获单元和通用定时器分别对转速 脉冲和定时器时钟进行计数，根据计数结果进行转速计 算；本文给出可测转速范围和测量精度的计算公式，分析 等精度转速测量方法的参数设置规律。基于磁悬浮飞轮 ＤＳＰ控制器应用等精度方法进行转速测量实验，实验结果 表明：等精度转速测量方法具有精度高、抗干扰能力强、运 算速度快等特点，满足磁悬浮飞轮转速测量要求。
１ 基于ＤＳＰ的等精度转速测量方法 等精度法 是一种能够保持全测量范围内测量精度 相等的一种测量方法，基于数字控制器ＤＳＰ事件管理器的 捕获单元和通用定时器实现磁悬浮飞轮转速等精度测量， 其原理如图１所示。
・ １０３ ・ 第３３卷 电 子 测 量技术 转速脉冲计数卜———————— ————————— … 厂］厂］厂］Ｆ＿
基准时钟１ｌ１１ １１１ Ｉ １Ｉ １１ １ 基准时钟汁数Ｂ Ｎｃ Ｄ
图１等精度法测速原理
当输入转速脉冲在Ａ处发生上升沿跳变，通用定时器 的计数器在捕获事件之后的Ｂ处开始对基准时钟脉冲进 行计数，等精度法测量经过若干个转速脉冲周期，在Ｃ处 达到阈值Ｎｐ，此时通用定时器计数Ｎｃ，如果基准时钟的 频率Ｆｃ，则可求得输入转速脉冲频率Ｆｐ ｆｐ—Ｐ，Ｆｃ （１）
当Ｃ处发生的上升沿跳变触发转速计算程序后，通用 定时器新一轮的计数在Ｅ处开始。 如果每发生一次捕获中断就计算一次转速，当系统执 行控制算法的主中断服务程序的周期较小，而待测转速脉 冲频率较高时，转速计算中断服务程序和主中断服务程序 的ＣＰＵ资源可能会产生冲突；如果在给定时间内（一般是 若干个主中断周期）进行转速脉冲计数，又产生误差大的 后果。等精度法累计多个转速脉冲周期，解决了上述 问题。 等精度法以Ｎｐ作为进入转速计算的判断依据，也可 以以Ｎｃ作为进入转速计算的判断依据。在每次捕获事件 发生时，除累加Ｎ声数值外，还检查Ｎｃ的值，当Ｎ 超过给 定阈值中断服务程序才进行转速计算。采用这种改进的等 精度法，Ｎｃ数值范围较为稳定，可以保证转速计算中断服 务程序与主中断服务程序具有较为稳定的时序关系，不会 因输入转速脉冲的变化使转速计算中断服务程序占用过 多的系统资源。 转速测量范围取决于计数寄存器的字长，也取决于基 准时钟的频率。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２计数器字长１６位，时钟频 率１５０ ＭＨｚ，通用定时器的基准时钟频率是其ｌ／ｄ，则对 Ｎｐ个输入脉冲，能够测得的转速频率范围表达式为
ｆｐ一 ×１０ （２） 』 Ｃ
由式（２）看出可测转速范围取决于Ｎｐ、Ｎｃ和ｄ。其中：
Ｎｃ受限于系统计数器字长，且需要大于软件设定阈值；当 Ｎｐ较大而分频系数ｄ较小时，可测转速的上限值也较大； 如果Ｎｐ较小；而分频系数ｄ较大，则可测转速下限值较 小。选择过大的分频系数ｄ使基准时钟周期变大，降低转速 测量精度，而选择过小的分频系数ｄ，使得有限字长的硬件 寄存器对Ｎｃ计数频频溢出，因此等精度法的应用需要合 理选择分频系数。根据ＤＳＰ实际情况，寄存器为１６位字 长，Ｎｃ最大值为６５ ５３５，当Ｎｐ一１，ｄ取２５６，则可测最小
・】０４・
频率为９ Ｈｚ。 如图１所示，采用等精度法进行转速测量时，基准时 钟脉冲上升沿与待测输入脉冲上升沿在时序上最大相差１ 个时钟周期，考虑起停计数对应的两次转速脉冲上升沿， 转速测量的最大相对误差为
ｒ—ｊ Ｆ￣－Ｆｐ Ｉ＝ ２ （３）
式中：Ｆｒ一 Ｆｃ，为转速脉冲的实际频率。式（３）中， 相对误差仅与Ｎ 有关，从而能够实现可测转速范围内的 等精度测量，通过软件设定Ｎｃ值，可以控制转速测量的 精度。
２等精度转速测量方法在ＤＳＰ上的实现 利用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２事件管理器的捕获单元ＣＡＰ４和 通用定时器ＧＰＴ３、ＧＰＴ４，在ＤＳＰ上实现等精度转速测量 的系统框图如图２所示。
图２等精度转速测量算法 在ＤＳＰ上实现的系统框图
其中，主中断服务程序由事件管理器ＥＶＡ通用定时 器ＧＰＴ１周期匹配触发，事件管理器ＥＶＢ的通用定时器 ＧＰＴ３为ＧＰＴ４和捕获单元ＣＡＰ４提供基准时钟，通用定 时器ＧＰＴ４进行基准时钟计数，捕获单元ＣＡＰ４进行输入 脉冲计数，捕获事件触发捕获中断服务程序，进行转速的 计算。为避免因基准时钟频率较大而使两次捕获之间的 ＧＰＴ４计数上溢，在捕获中断服务程序中根据上溢标志位 Ｔ４ＯＦＩＮＴ最终确定ＧＰＴ４的计数。 转速测量的中断服务程序流程图如图３所示。中断 程序读取通用定时器ＧＰＴ４的计数器计数Ｔ４ＣＮＴ，并累 加捕获次数ＣＡＰ４ＣＮＴ，当定时器计数值Ｔ４ＣＮＴ大于或 等于３２７６７时计算转速，完成转速计算后，将捕获计数 ＣＡＰ４ＣＮＴ和通用定时器计数Ｔ４ＣＮＴ清零，当定时器计 数值小于３２７６７时，退出中断服务程序，等待下次捕获 发生。