一种测试磁流体动力学惯性动量轮性能的装置及方法

技术领域

本发明属于新型惯性器件性能测试领域，具体涉及一种测试磁流体动力学惯性动量轮性能的装置及方法。

背景技术

磁流体动力学惯性动量轮是一种新型原理的动量轮，其致动特性基于磁流体动力学效应，核心组件为导电流体环，导电流体置于闭合的圆环体通道内，在外加电场与正交磁场中受到洛伦兹力驱动而旋转流动，通过导电流体与磁场之间的相互作用实现力矩输出和角动量提供，可作为微小卫星姿态控制系统中的执行机构实现微小卫星姿态的控制与稳定。

不同于传统的动量轮，磁流体动力学惯性动量轮利用导电流体旋转流动输出力矩和角动量，其理论研究和性能指标的测试需要获得动量轮在一定输入电流下的流体流速，而流体位于封闭的圆环体通道内，其转速难以直接测量；同时流体流动状态易受到管道内部形状的影响，一般超声测速等方法难以适用；且磁流体动力学惯性动量轮应用于微小卫星姿态控制背景下，提供的角动量和输出力矩量级过小，微扭矩传感器静态测试的方法无法满足测量精度需求；而对磁流体动力学惯性动量轮进行实验分析和性能测试是该新型动量轮实用化发展的必然需求。因此研究开发针对磁流体动力学惯性动量轮的性能测试实验方法，具有重要的理论与现实意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种测试磁流体动力学惯性动量轮性能的装置及方法。以完成磁流体动力学惯性动量轮的理论分析验证及性能测试，推动磁流体动力学惯性动量轮的实用化发展。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种测试磁流体动力学惯性动量轮性能的装置，包括单轴气浮转台、固定工装、功率放大驱动电路、数据采集卡和上位机，所述单轴气浮转台由从下到上依次设置的气浮转台基座、气浮转台主体和载荷安装盘组成，所述气浮转台主体中部设置有气浮轴，所述气浮轴顶部与所述载荷安装盘连接，气浮转台主体内还安装有与数据采集卡连接的光电码盘，所述载荷安装盘上通过所述固定工装安装磁流体动力学惯性动量轮，磁流体动力学惯性动量轮的内外电极通过导线与功率放大驱动电路连接，所述数据采集卡还分别与上位机和功率放大驱动电路连接。

进一步的，通过机械臂将磁流体动力学惯性动量轮与功率放大驱动电路相连的导线悬垂。

本发明还提供另一种技术方案如下：

一种测试磁流体动力学惯性动量轮性能的方法，将预加工装配的磁流体动力学惯性动量轮通过固定工装同轴安装在单轴气浮转台上，利用上位机结合数据采集卡给定驱动控制信号，通过功率放大驱动电路形成磁流体动力学惯性动量轮的输入驱动电流，根据单轴气浮转台自带光电码盘所测得的单轴气浮转台转速、以及功率放大驱动电路采样电阻端反映出的电流大小，按磁流体动力学惯性动量轮工作原理和角动量守恒原理进行理论分析验证并计算输出力矩及角动量大小。

进一步的，在输入电流驱动下磁流体动力学惯性动量轮内导电流体旋转流动并向外输出力矩和角动量，根据角动量守恒原理，通过测量气浮转台转动情况实现流体平均流速的间接测量。

进一步的，通过数据采集卡形成不同测试需求下的输入控制信号，经由功率放大驱动电路放大，压控转换形成输入驱动电流。

进一步的，采用光电码盘获取单轴气浮转台转动角速度，采用功率放大驱动电路反馈电阻端电压获取输入驱动电流大小，通过上位机和数据采集卡实现数据同步采集和后处理。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

可在不改变磁流体动力学惯性动量轮导电流体环通道形状、不影响导电流体分布的情况下间接测量出导电流体的平均流速；同时尽可能的避免了外部干扰力矩的影响，提供了一种精确度较高、可行性良好的性能测试方法；并为研究磁流体动力学惯性动量轮作为微小卫星姿态控制系统执行机构实现高精度姿态控制等的地面环境模拟实验提供了参考。

本发明装置及方法可以间接验证磁流体动力学惯性动量轮的致动原理，并测试其输出力矩和角动量性能特性，填补了磁流体动力学惯性动量轮测试实验研究领域的空白，为其他微小角动量输出的流体环执行器性能测试提供了实验参考。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明方法的流程示意图。

附图标记：1-导线，2-磁流体动力学惯性动量轮，3-固定工装，4-载荷安装盘，5-气浮轴，6-气浮转台主体，7-气浮转台基座，8-光电码盘，9-功率放大驱动电路，10-数据采集卡，11-上位机，12-机械臂。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例磁流体动力学惯性动量轮性能测试实验装置，其结构如附图1所示，构成主要包括：固定工装3，光电码盘8，功率放大驱动电路9，数据采集卡10，上位机11。单轴气浮转台由载荷安装盘4、气浮轴5、气浮转台主体6及气浮转台基座7构成，并设有用于测速的光电码盘8，磁流体动力学惯性动量轮2通过固定工装3与载荷安装盘4同轴连接，磁流体动力学惯性动量轮内外电极柱通过大电流通电导线1与外置功率放大驱动电路9相连，同时利用机械臂12悬垂导线使其尽量竖直，上位机11与数据采集卡10相连构成数据采集处理系统，数据采集卡10两路模拟输入分别连接功率放大驱动电路9采样电阻端和光电码盘8测速输出，同时模拟输出连接至功率放大驱动电路输入控制端。

对于上述本发明磁流体动力学惯性动量轮性能测试实验装置的技术方案中，可进一步采取以下措施：

单轴气浮转台采用转动惯量较小的气浮转台，回转半径不小于磁流体动力学惯性动量轮导电流体环外径，干扰阻力矩一般为10

固定工装结构将磁流体动力学惯性动量轮与气浮转台固连以实现同轴转动，同时实现气浮转台台体对磁流体动力学惯性动量轮内部磁钢磁场的屏蔽。

功率放大驱动电路置于气浮转台台体外，并与磁流体动力学惯性动量轮导电流体环内外电极柱导线连接，可借助机械臂悬垂导线以减小转动时因导线带来的干扰力矩。

数据采集卡一路模拟输出与功率放大驱动电路输入控制端连接，两路模拟输入分别与气浮转台测速机构、驱动电路采样电阻两端连接；本实施例中测速机构为光电码盘。

如附图2所示为通过上述装置测试磁流体动力学惯性动量轮性能的步骤流程，将磁流体动力学惯性动量轮通过固定工装同轴安装在带有光电码盘的单轴气浮转台上，利用上位机通过数据采集卡来给定驱动控制信号，经过功率放大驱动电路放大后形成磁流体动力学惯性动量轮的输入驱动电流，在磁流体动力学惯性动量轮带动气浮转转台转动的情况下，利用数据采集卡同步采集气浮转台转速和输入驱动电流大小。根据角动量守恒原理，在气浮转台阻力矩远小于磁流体动力学惯性动量轮输出力矩的情况下，可忽略外部干扰力矩，结合气浮转台转动惯量、导电流体环转动惯量、气浮转台转速按公式

为了获得更好的测试效果和更高的测试精度，在上述测试磁流体动力学惯性动量轮性能方法技术方案的基础上，可进一步采取以下技术措施。

在上述实施方案中，导电流体同轴旋转的转动惯量远小于磁流体动力学惯性动量轮壳体、固定工装及气浮转台的转动惯量，可考虑在磁流体动力学惯性动量轮固定安装在气浮转台上的情况下，采用差值落体法更为准确地测量得到单轴气浮转台及固定工装和磁流体动力学惯性动量轮壳体围绕旋转轴的转动惯量J

在上述实施方案中，所述磁流体动力学惯性动量轮输出力矩较小，测量得到导电流体平均流速的精度受到气浮转台干扰力矩的影响，可考虑给定气浮转台转动初速度在其自由转动状态下标定气浮转台摩擦力矩系数，以对测试结果进行补偿。

实施本发明上述磁流体动力学惯性动量轮性能测试实验方法的装置，以单轴气浮转台为核心，主要包括上位机、数据采集卡，功率放大驱动电路，固定工装，单轴气浮转台及测速机构。所述磁流体动力学惯性动量轮通过固定工装安装在单轴气浮转台上，其轴心与气浮转台转轴重合；功率放大驱动电路置于台体外，通过大电流通电导线与动量轮电极连接，将输入控制信号成比例转化为驱动电流；数据采集卡通过模拟输出形成驱动电路的输入控制信号，两路模拟输入分别与气浮转台测速机构和驱动电路采样电阻两端相连，同步采集获取气浮转台转速和输入驱动电流的大小。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。